周宜儐 黎云飛 唐文娟

0 引言

隨著智慧隧道的發(fā)展，用于智慧隧道建設(shè)的機(jī)電設(shè)備逐漸增多，使得隧道設(shè)備用電量急劇增加。而隧道環(huán)境下，配電柜均嵌入墻體安裝且無(wú)散熱裝置，內(nèi)部的電纜中間接頭處在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，并由于松動(dòng)或者材料選型因素會(huì)產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)溫度超過(guò)電纜所能承受的臨界溫度時(shí)，其絕緣介質(zhì)熱穩(wěn)定性變差，易發(fā)生局部放電［1］，使電能傳輸發(fā)生故障，甚至發(fā)生短路、引燃等安全事故，繼而損壞供電電力線路，影響供電的可靠性和用電安全。此外，溫度過(guò)高還會(huì)加速電纜的老化，從而會(huì)降低電纜使用壽命。因此，實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境下電纜接頭溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為電纜安全和可靠供電的迫切需求。通過(guò)掌握隧道運(yùn)行線路電纜接頭處溫度的變化狀況，并有針對(duì)性地動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)荷電流，能夠有效預(yù)防負(fù)荷電流過(guò)大導(dǎo)致的接頭溫度過(guò)高［2］的問(wèn)題，提高電纜輸電效率并保障安全運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)前隧道中常用的測(cè)溫的方法有：感溫監(jiān)測(cè)、紅外測(cè)溫、光纖測(cè)溫、點(diǎn)式測(cè)溫［3］等。感溫監(jiān)測(cè)是將感溫電纜貼敷在電纜護(hù)套上，雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且投資較少，但溫度預(yù)警值固定不能修改且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫和故障位置確定的功能［4］。紅外測(cè)溫是采用紅外技術(shù)探測(cè)線纜所發(fā)出的熱輻射來(lái)檢測(cè)溫度值，其易受物體材質(zhì)和機(jī)柜濕度等室內(nèi)環(huán)境因素影響，故可靠性較低且實(shí)用性差［5］。光纖測(cè)溫是基于光波中的拉曼散射原理來(lái)監(jiān)測(cè)線纜溫度變化，具有較強(qiáng)的抗電磁輻射干擾能力［6］，但解調(diào)主機(jī)設(shè)備成本較高，不適合隧道場(chǎng)合大批量使用。點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)是利用熱阻或熱偶傳感器進(jìn)行測(cè)溫［7］，其實(shí)現(xiàn)成本低，測(cè)量精度較高，適合電纜接頭測(cè)溫使用。

測(cè)溫系統(tǒng)除了兼顧溫度測(cè)量之外，還需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳功能。在隧道復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)有線通訊方式存在布線難度大、施工成本高等問(wèn)題，不適合推廣使用，而無(wú)線傳輸由于其安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本適中等特點(diǎn)成為首選通訊技術(shù)，目前適用隧道內(nèi)無(wú)線通訊技術(shù)主要有ZigBee 技術(shù)和LoRa 技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是由ZigBee聯(lián)盟設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)行到3.0.1 版本，工作在2.4G 頻段，具有自組網(wǎng)、高傳輸速率、低功耗等特點(diǎn)，但傳輸距離短，不具備動(dòng)態(tài)跳頻、通訊協(xié)議復(fù)雜、資料開(kāi)放程度低，更適合智能家居場(chǎng)所使用。LoRa 技術(shù)是由美國(guó)SimTech 公司發(fā)布和推廣的一種基于頻移鍵控和正交幅度調(diào)制擴(kuò)頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低功耗無(wú)線傳輸，具備傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、低成本的特點(diǎn)，非常適合隧道、礦井等復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)無(wú)線通訊應(yīng)用。

LoRa Mesh 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)是基于LoRa 低功耗、長(zhǎng)距離無(wú)線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌邆涠嗦窂絺鞑?shù)據(jù)能力，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)路由，讓單點(diǎn)節(jié)點(diǎn)以同時(shí)作為數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的一種Mesh 網(wǎng)絡(luò)。其具有以下特點(diǎn)：

（1）自組織網(wǎng)絡(luò)

具備自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，新的節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)搜索鄰居節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)，而已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)升級(jí)為路由節(jié)點(diǎn)，已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)掉線后，自動(dòng)尋找其他中繼節(jié)點(diǎn)重連。

（2）多跳網(wǎng)絡(luò)

采用多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)路徑進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，降低了數(shù)據(jù)丟失和延時(shí)等問(wèn)題。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)支持融入信道跳頻技術(shù)，利用多通道進(jìn)行通信，充分?jǐn)U展信道容量，避免多徑干擾。

（3）雙向通訊

可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊，即節(jié)點(diǎn)既可以作為發(fā)送端，也可以作為接收端，并在網(wǎng)絡(luò)上自動(dòng)進(jìn)行切換。

（4）低成本

無(wú)需采用昂貴的硬件設(shè)備和專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)部署人員即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的搭建和維護(hù)。

以上四點(diǎn)可以看出，LoRa Mesh 作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適合在隧道環(huán)境下應(yīng)用。

本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫方法難以兼顧高可靠性和低成本的問(wèn)題，基于LoRa 無(wú)線傳輸技術(shù)特征優(yōu)勢(shì)，提出利用LoRa Mesh 無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)點(diǎn)式測(cè)溫方法完成隧道供電電纜接頭測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)溫并且感測(cè)精度達(dá)到0.1℃，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心后可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的監(jiān)控預(yù)警聯(lián)防聯(lián)動(dòng)，可有效預(yù)防電纜中間接頭異常引發(fā)的電力電纜火災(zāi)事故發(fā)生。

1 測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電纜接頭測(cè)溫系統(tǒng)主要由測(cè)溫?zé)o線節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、采集網(wǎng)關(guān)主機(jī)、后臺(tái)監(jiān)控中心等部分組成，系統(tǒng)框架如圖1 所示。其中測(cè)溫?zé)o線節(jié)點(diǎn)對(duì)電纜中間接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)到采集網(wǎng)關(guān)主機(jī)，主機(jī)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)布到后臺(tái)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)電纜中間接頭溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)框架圖

首先，測(cè)溫?zé)o線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮設(shè)備的整機(jī)功耗、溫度測(cè)量的精準(zhǔn)度、無(wú)線靈敏度、信號(hào)傳輸距離、整機(jī)成本等因素影響。故本文選擇STMicroelectronics 的STM32WLE5CBU6 作為節(jié)點(diǎn)主控處理芯片。該主控處理芯片基于Arm Cortex-M4 32 位RISC 內(nèi)核，工作頻率高達(dá)48MHz，集成高速存儲(chǔ)器和各種增強(qiáng)型I/O 和外設(shè)，采用自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器無(wú)等待操作閃存，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，支持實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，快速反應(yīng)電纜中間接頭處溫度異常變化，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。芯片內(nèi)置功能強(qiáng)大、超低功耗的無(wú)線電兼容LPWAN 解決方案，包括LoRa、（G）FSK、（G）MSK 和BPSK。其中LoRa 無(wú)線電具有高達(dá)-148dBm（10.4kHz，擴(kuò)頻因子12 時(shí)）的接收靈敏度，能接收微弱的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在弱信號(hào)環(huán)境中的長(zhǎng)距離通信，滿足隧道環(huán)境下測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)傳輸距離和可靠性的要求。這款處理芯片在-40℃到105℃工作溫度范圍下可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)電流1.07μA、待機(jī)電流360nA 的超低功耗運(yùn)行模式，可有效降低設(shè)備節(jié)點(diǎn)的整體功耗以延長(zhǎng)電池供電狀態(tài)下的續(xù)航能力。節(jié)點(diǎn)所選用的溫度傳感器為高精度PT100 熱電阻傳感器，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其零點(diǎn)漂移極小，測(cè)量精度高，在-200℃和650℃之間可以穩(wěn)定可靠工作，具有出色的適應(yīng)性。節(jié)點(diǎn)采用雙電源供電方式，內(nèi)置大容量鋰電池，同時(shí)支持外部直流供電和電池充電方式，以確保個(gè)別配電柜短期斷電情況下該節(jié)點(diǎn)依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

其次，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的安裝位置所處隧道環(huán)境下的無(wú)線反射、折射、多徑效應(yīng)等因素，采用LoRa Mesh 技術(shù)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，還能增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸速率。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)中繼入網(wǎng)時(shí)序圖如圖2 所示。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，同時(shí)也可以作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)Dijkstra 最短路徑算法找到其他傳輸路徑，這樣就能夠在節(jié)點(diǎn)之間建立多條冗余鏈路，保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。此外，研究過(guò)程中還為網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)置了唯一UUID 和網(wǎng)絡(luò)密鑰，方便對(duì)節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行追蹤監(jiān)控和管理維護(hù)。

圖2 節(jié)點(diǎn)中繼入網(wǎng)時(shí)序圖

采集網(wǎng)關(guān)主機(jī)放置于隧道口的機(jī)房?jī)?nèi)，采用1U機(jī)架式金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備防雷、防靜電、防塵、抗震等優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)隧道復(fù)雜惡劣環(huán)境下的使用。如圖1 所示，主機(jī)內(nèi)部功能由LoRa 通信模塊、核心板數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)模塊、GPS 定位模塊、4G 模塊、串口通訊模塊等組成。其中，LoRa 通訊模塊允許采集網(wǎng)關(guān)主機(jī)接入LoRa Mesh 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而查詢并接收部署于隧道內(nèi)的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。GPS 定位模塊可提供主機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)行地理位置信息，有助于維護(hù)人員準(zhǔn)確導(dǎo)航至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，提高維護(hù)效率和準(zhǔn)確性。主機(jī)支持以太網(wǎng)、4G、NB-IOT 等多種通信方式，可與后臺(tái)監(jiān)控中心建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

主機(jī)預(yù)留了RS485 和RS232 總線通訊接口，可用于接入機(jī)房?jī)?nèi)的UPS 不間斷電源、電力監(jiān)控儀表、綜合保護(hù)裝置、配電管理單元裝置等電力監(jiān)控設(shè)備，可以遠(yuǎn)程遙測(cè)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)控和聯(lián)動(dòng)保護(hù)。主機(jī)以Linux 操作系統(tǒng)核心板為主控，具備高性能的數(shù)據(jù)采集處理和本地存儲(chǔ)能力，可接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行異常告警處理和本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)備份。主機(jī)與監(jiān)控中心后臺(tái)服務(wù)器通訊協(xié)議采用主流的MQTT 協(xié)議進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)推送和事件訂閱。在主機(jī)與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下，主機(jī)主動(dòng)向監(jiān)控中心后臺(tái)服務(wù)器推送采集的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；當(dāng)主機(jī)與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)時(shí)，主機(jī)離線存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)，并運(yùn)行離線監(jiān)控預(yù)警聯(lián)動(dòng)操作托管業(yè)務(wù)程序，防止電纜頭溫度過(guò)高引發(fā)安全事故。主機(jī)數(shù)據(jù)采集和發(fā)布流程圖如圖3 所示。

圖3 主機(jī)數(shù)據(jù)采集和發(fā)布流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在廣西高速公路都巴路段隧道開(kāi)展系統(tǒng)搭建與應(yīng)用測(cè)試。選取的試點(diǎn)隧道全長(zhǎng)2892m，在16 個(gè)配電機(jī)柜上加裝電纜測(cè)溫?zé)o線節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)供電就近從機(jī)柜內(nèi)直供，通訊天線通過(guò)打孔的方式從機(jī)柜頂部引出并垂直固定到機(jī)柜面板。節(jié)點(diǎn)測(cè)溫傳感器緊貼電纜接頭處表面，用導(dǎo)熱雙面膠帶將兩者纏繞數(shù)圈后再用3M 膠帶緊固。采集網(wǎng)關(guān)主機(jī)安裝于隧道右洞機(jī)房弱電側(cè)機(jī)架處，主機(jī)天線從窗口縫隙引出至機(jī)房外。系統(tǒng)運(yùn)行后，每隔10min 輪詢記錄一次各個(gè)節(jié)點(diǎn)的在線狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和電纜接頭溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測(cè)試界面如下圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試界面圖

圖4 中，設(shè)備MAC 地址為節(jié)點(diǎn)設(shè)備的ID，溫度監(jiān)測(cè)的精度可達(dá)0.1℃，系統(tǒng)界面還顯示節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前電池電壓和電池供電狀態(tài)下的休眠值。設(shè)置休眠時(shí)間為5s，空閑等待時(shí)間為2s，界面上可以看出在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)溫度。

采集的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔和采集序號(hào)可以生成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)響應(yīng)條形圖，如圖5 所示。從圖中可以看出，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間點(diǎn)各有不同，但都能在6s 內(nèi)響應(yīng)并回傳數(shù)據(jù)，且回傳數(shù)據(jù)均可以解析并顯示到測(cè)試工具，證明了該種無(wú)線傳輸穩(wěn)定可靠。

圖5 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)響應(yīng)條形圖

高速公路隧道環(huán)境下無(wú)線傳輸存在反射、折射、多徑效應(yīng)等不利因素，節(jié)點(diǎn)間安裝部署位置間距太遠(yuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)無(wú)法中繼交互，進(jìn)而對(duì)LoRa Mesh 無(wú)線通信產(chǎn)生影響，因此有必要對(duì)節(jié)點(diǎn)間部署距離與通訊穩(wěn)定性做測(cè)試分析。在該試點(diǎn)隧道環(huán)境下測(cè)試的節(jié)點(diǎn)距離與數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)，如表1 所示。測(cè)試節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)置為22dBm，頻段為470MHz，天線增益為3.5dBi，發(fā)送數(shù)據(jù)包均以100 個(gè)計(jì)數(shù)，通過(guò)接收有效數(shù)據(jù)包來(lái)計(jì)算通訊的丟包率。

表1 節(jié)點(diǎn)距離與數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)表

通過(guò)丟包率與節(jié)點(diǎn)距離數(shù)據(jù)分析可知，節(jié)點(diǎn)部署間距在400m 范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間通訊丟包率能夠控制在2%以下。400m 的間距能夠適配絕大多數(shù)隧道內(nèi)配電柜的安裝位置距離，本次試點(diǎn)隧道的配電機(jī)柜平均間距約200m，系統(tǒng)在試驗(yàn)中能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線通訊穩(wěn)定可靠傳輸。

3 結(jié)論

本文基于LoRa Mesh 無(wú)線通信技術(shù)并結(jié)合溫度測(cè)量方法研究和設(shè)計(jì)了隧道環(huán)境下供電電纜中間接頭測(cè)溫系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娎|接頭溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程、無(wú)線和高精度自動(dòng)監(jiān)測(cè)。結(jié)合后臺(tái)監(jiān)控中心的事后分析，系統(tǒng)可有效防止中間接頭處溫度過(guò)高而導(dǎo)致的配電機(jī)柜線路故障，從而保證了配電供電的高效運(yùn)行和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可應(yīng)用于各類隧道機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。