Page 53 - 电力与能源2022年第五期

杨亚龙, 等: 施工区域地下热力管网无线振动监测系统 4 5
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进行了模拟试验; 文献[ 9 ] 应用一种带有振动监测 点, 但相对地, 目前的 MEMS 传感器能检测到的
和无线传输功能的电子界桩, 对施工破坏燃气管 振动信号的频率和幅度都远不如传统传感器。考
网问题进行了研究, 采集了几种常见施工器械的 虑到实际施工区域地下管网产生的振动幅度和频
振动信号, 对其振动特征进行了分析, 依据已有成 率一般都较小, 因此应用 MEMS 传感器是更优的
果 [ 10 ] 和理论研究对监测点位的选取进行了讨论, 选择。
并应用电子界桩进行了现场测试。 ( 2 )主控部分。振动信号的采集和处理较为
本文就施工区域地下管网无线振动监测系统 复杂, 需要进行大量的分析计算, 要求主控芯片具
中的关键技术进行研究, 提出一种施工区域地下 有较好的性能; 同时考虑到地下管网无电源线以
热力管网无线振动监测系统方案, 进而针对性地 及即使使用电源线后的维护成本, 主控芯片一般
研发一种管网振动监测装置, 介绍该监测装置的 使用电池供电, 这就需要进行低功耗选型和设计。

硬件设计和软件设计, 并进行现场验证。 选择具有休眠功能并且能够定时或被外部唤醒的
芯片, 来实现系统的设计, 降低监测功耗, 获得更
1 无线振动监测系统方案
长的运行时长, 降低维护成本。
1.1 系统方案 ( 3 )无线通信部分。监测装置需要在检测到
基于施工区域地下管网无线振动监测的目的 异常振动时及时与云端系统通信, 进行报警, 同时
提出以下系统方案( 见图 1 ), 其中包括云端系统 也需要定期与外部进行通信, 发送心跳包, 下载配
和本地监测系统两部分, 本文主要讨论其中的本 置和进行固件升级。传统采用的通信方式为线缆
地监测系统。 连接, 随着无线网络的迭代和铺设, 目前设计应用
中多采用无线连接的通信方式。就无线通信方式
而言, 地下管网中无线信号衰减快, 一般不进行无
线传感网络部署, 可采取基于网络运营商基站的
窄带物联网( NarrowBandInternetofThin g s , 简
称 NB-IoT ) 通信方式, 配合高增益天线作单一终
端通信传输。
( 4 )其他部分。地下管网环境恶劣, 进行系
统设计时也应考虑装置的密封防水性。地下管网
潮湿, 很容易对裸露的电路板造成破坏, 在季节性
降水过后整个管道窨井甚至会浸满积水, 导致设
备泡在水中。因此监测装置的密封性也是极其重
图 1 管网无线振动监测系统方案
1.2 设计要点 要的, 有效的密封防水设计可以使监测装置适应
下面结合图 1 的系统方案, 分析介绍管网无 恶劣的外部环境。
线振 动 监 测 中 的 设 计 要 点, 主 要 包 含 以 下 4 个
2 硬件设计
部分。
( 1 )振动监测部分。通过振动监测来监测管 基于施工区域地下管网无线振动监测的系统
网的安全状况, 可以在检测到异常振动时进行报 方案和设计要点, 对监测装置的硬件进行了选型
警, 相对于常见的管道泄漏监测来说, 这是一种能 和设计。
够提前进行预警的监测方式, 因而更加可靠。目 使用 STM32L4 系列低功耗芯片作为监测装
前用于振动监测的振动传感器主要有传统传感器 置的主控芯 片, 使 用 亚 诺 德 半 导 体 的 ADXL345
MEMS 加速度传感器进行振动监测, 使用移远通
和 微 机 电 系 统 ( Micro Electro Mechanical
S y stem ,简称 MEMS ) 传感器两种。传统传感器 信的 BC25 芯片配合 30dBi高增益铜棒天线进行
能够监测到更大频率和更大幅度的振动, 但一般 通信, 使用专用的防水外壳进行监测装置的密封

体积较大, 且只能输出电压信号, 因此不够智能; 防水, 使用 3 节锂电池和 TP4065 电源管理芯片
而 MEMS 传感器具有体积小、 数字信号输出的优 作为监测装置的电源。