基于LoRa技术的随身式深基坑有害气体监测系统的设计与应用

陈进 李岩 李智 甘伟良

关键词 深基坑 气体智能实时监测机告警 随身式

1工程概况

国网重庆市电力公司市区供电分公司负责实施重庆市圣双南北220kV 线路增容工程，该工程可以提高重庆市主城区220kV 变电站供电的稳定性，满足圣泉、熬山、柏树堡、双山片区用电负荷增加的需要。因重庆市圣双南北220kV 线路增容工程跨越市区，且随着城市建筑业向高层、大跨空间结构发展和地下空间开发的逐步深入，增加了施工环境及地下管线的复杂性，以及深基坑本身地势较低、通风环境较差等特点，在其坑道内可能存在一些对人体有害的气体，如CO，CO2，H2S 和CH4。据调查，在实际建筑深基坑的施工中出现的安全事故，其中因为施工过程中的有毒有害气体中毒事故占了大多数[1] 。为保障重庆市圣双南北220kV 线路增容工程施工人员安全，提高施工管理效率，项目参与技术人员研究出了技术先进的基于LoRa 技术的随身式气体监测系统。

2技术比较

2.1无线传输技术

由于施工场地的复杂性和临时性，铺设传输线路并不现实且成本较高，气体监测系统需要依靠无线传输技术来实现信息的传送。目前使用得最多的无线传输技术包括蓝牙技术、ZigBee 技术、LoRa 技术等。

2.1.1蓝牙技术

蓝牙是一种支持设备短距离通信的相对成熟的无线电技术，其可实现数据和声音传输同时管理，价格相对便宜、安全性高，由于通过跳频扩频技术进行传播，还具有抗干扰性强的优势。

一般蓝牙的数据传输距离较短，目前，普通蓝牙数据传输工作距离为10 米左右。但深基坑等地底作业障碍物多，在此环境下蓝牙技术的有效信号传输距离将进一步缩短，稳定性也会降低，且施工场地安装基站成本较高，蓝牙技术并不适用。

2.1.2ZigBee 技术

ZigBee 也称紫蜂，是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术。目前，其广泛应用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种传感器、控制器等设备之间进行数据传输。但对于深基坑监测技术，需要在作业期间不间断的传输监测数据，及时告警并将作业人员疏散离场才是重中之重，故近距离传输的ZigBee 技术并不适用于深基坑气体随身式智能实时监测及告警系统。

2.1.3LoRa 技术

LoRa 技术（Long Rang）是一种能满足低功耗、超长距离要求的强抗干扰能力通信的无线窄带扩频通信技术，LoRa 技术的出现大幅度改善了无线传输技术的接收灵敏度[2～3] 。

综合对比，LoRa 技术更加适用于环境复杂、障碍物多的深基坑无线信息传输。

2.2系统架构

系统构架如图1 所示。

2.2.1前端传感器采集模块

前端传感器采集模块包括身体特征探测模块、氧气传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、一氧化碳传感器，用于实时监测施工人员的血氧心率、舒张压、收缩压以及监测施工人员作业区域环境参数，并通过LoRa无线传输方式将环境参数和人员状态信息上传至数据集中器。每个前端采集模块中还含有重力加速度传感器，作业期间当施工人员停止不动时，将进行告警，非作业期间模块停止工作，进入低功耗模式。

2.2.2数据集中器

数据集中器是前端传感器采集模块与主机之间的桥梁，起到参数信息汇总和远距离传输的作用。

2.2.3系统主机

主机分为数据显示单元、数据分析单元和告警单元。数据显示单元实时显示各前端采集模块的采集参数，便于管理人员随时查看。数据分析单元在接收到环境及作业人员身体参数后进行算法分析，并与设定的阈值进行比较，一旦超出阈值则发出警报。

主机的功能较多，具体如下。

（1）設置功能：可根据实际需要进行深基坑气体浓度和施工人员身体状况参数的阈值设置、前端传感器采集模块传输间隔设置、各设备报警触发时间及间隔设置等。

（2）查询功能：可随时查询某时间点各项监测数据的历史记录，可查询某段时间内的目标气体浓度的变化趋势。

（3）复位功能：复位后系统将恢复到上一次调整的正常的运行状态，复位操作将不会更改系统的之前的设置参数。

（4）自检功能：主机可以自动检测，包括报警器、LoRa 信号传输模块、收集参数的前端传感器采集模块在内的模块是否损坏或是否存在异常，以及各模块之间的信号传输是否正常，当监测到错误时将发出警告

（5）密码保护功能：使用多级密码保护系统的安全运行，设置、自检、复位、隔离操作前等操作均密码确认，避免了人员误操的可能。

（6）三级报警功能：警报程度分为三级，分别是注意、预警和报警，每个级别的范围均可以由用户根据现场实际情况自由设置。

2.3系统优势

（1）续航时间长：所有传感器及系统主机均可充电，所有传感器充电一次保证连续使用2 天以上，现场管理主机保证连续使用7 天以上。

（2）参数可设置：现场管理主机有开关机按钮，主机界面显示的监测参数报警阈值均可设置。

（3）功能全面：施工人员意外情况和施工环境参数异常情况均及时报警，双重保障施工安全。

（4）报警方式丰富：分三级预警，给予作业人员和管理人员更多的反应和撤离时间;振动提示、声音报警等功能齐全，符合作业现场的实际需求。

（5）适用性强：前端采集模块采集精度高、耗电量小，采用便携式设计，模块小随身携带且对施工人员无影响。设备既可以独立运行，也可以支持向上融入基建管控系统。

3现场情况

在重庆市圣双南北220kV 线路增容工程线路施工过程中，基于LoRa 技术的随身式深基坑有害气体监测系统得到实际应用。作业现场的深基坑作业环境参数（如CO，O2，CH4，H2S 等），施工人员身体特征得到实时监测，一旦监测参数异常，系统主机便提醒作业人员立即撤离施工区域。

施工作业人员携带前端传感器采集模块进入工程现场（图2），前端传感器采集模块将深基坑里面的环境参数信息、施工人员身体特征信息通过无线LoRa方式传到数据集中器，数据集中器再通过LoRa 技术将环境参数传至现场管理主机，现场管理主机经过软件分析后实现对作业区域的环境参数实时监测，对异常情况立即告警，提醒作业人员安全撤离。同时，施工管理人员能及时掌握现场作业情况，便于采取施救、撤离等紧急措施。为现场施工工作人员的综合管理（尤其是安全生产）提供可靠保障，意外事故分析提供可靠依据。

在工程现场经过长时间应用， “ 前端采集模块———数据集中器”“数据集中器———管理主机”之间无线LoRa 通信稳定、连接良好，整个系统运行顺畅。模拟深基坑环境参数异常、模拟施工人员身体参数异常时，管理主机均能及时发出告警信息，基于LoRa 技术的随身式深基坑有害气体监测系统达到了预期设计目标。

4结论

本文提出基于LoRa 技术的随身式深基坑有害气体监测系统，利用LoRa 无线通信技术，通过随身式前端传感器采集模块采集数据，利用主机分析数据，实时监控深基坑等地底作业人员身体状况及作业环境情况。该系统可有效保障作业人员安全，减少事故的发生，且续航时间长、成本低，还可与智能终端进行连接，管理人员可通过软件查看各个施工场地的实际情况，发展前景广阔，值得推广。