基于物联网技术的电缆沟环境监控预警系统

苏 平，李 乐，陈 明，王小军

（国网宁夏电力有限公司 银川供电公司，宁夏 银川 750001）

0 引 言

近年来，供电企业为了顺应城市建设的步伐，逐渐将电力线路的路径设计为地下传输，很大程度上解决了城市用地困难、高空建设受阻等问题。电缆沟作为地下电缆的关键承载渠道，其内部的温度、气体含量、湿度、小动物活动状态等信息的实时监测，对电缆的安全稳定运行至关重要[1,2]。设计一种针对城区电缆沟的环境跟踪预警控制系统，通过实时获取电缆沟内的信息，利用数据对比分析、智能处理、预警及联动控制等方法，及时消除内部隐患以保障沟内电缆的安全稳定运行，对提高城区用电的安全性和可靠性具有重要意义。

1 系统总体构架

整个系统的构架如图1 所示，从下到上主要包括数据感知控制层、数据网络传输层以及数据应用管理层[3]。

图1 跟踪预警控制系统构架

（1）数据感知控制层。控制层主要由分布于电缆沟内的各种传感器及控制设备构成，如感温电缆、二级水浸传感器、微波感应元件、危险气体传感器、现场声光报警、现场功能开关、其他控制端、水泵、风机、灭火设备、驱小动物设备。通过实时采集电缆沟环电缆沟内温度、湿度、微波等物理信息量，转换为4 ～20 mA/0 ～10 V 的模拟量、开关量作为输出；将声光报警、功能开关、水泵、风机、灭火设备、驱赶小动物设备作为受控设备，及时响应处置监测到的异常状态。

（2）数据网络传输层。传输层包括一个数据服务中心，包含读取、存储、判断、处理、传输、收发等功能[4]。传输层作为整个系统的过渡层级，主要通过接收数据感知控制层采集传输来的数据，对数据进行协议的封装，进一步通过通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）网络发送至数据应用管理层，实现后台终端与电缆沟环境的通信互联。其中，数据采集和设备接口与数据服务中心实现双向通信，既可以采集现场温度、水位、微波、气体浓度等物理信息，也可发送终端平台的控制信息。

（3）数据应用管理层。管理层作为系统的最上级平台，主要借助现场设备及移动终端传输的预警信息，通过手机App 和计算机网页平台实现对环境数据的监测、报警以及控制现场设备的联动。

2 系统组成单元设计

2.1 数据感知控制层

数据感知控制层主要通过各类传感器实时获取沟内电缆的运行和环境信息。

（1）温度综合监控预警。通过线型感温电缆监测沟内的现场温度，借助其负温度系数及热敏特性将沟内温度转换为监测回路的电阻值。该数据可以根据电路设计转化为相应的电流值/电压值，以此满足温度采集模块的需求。当沟内温度达到火焰传感器设定的阈值时，综合判断后启动灭火装置。

（2）危险气体监控预警。借助MQ-2 气体传感器监测环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[5]。此外，MQ-2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。

（3）二级水浸监控。采用3 根铜电极电路组合检测进水点水位，根据进水状态向网络传输层传出信号，由网络层进行逻辑判断和响应。对于越界数据进行报警，设置不同的阈值，实现多级报警功能。例如，对积水隐患进行2 级报警，第1 级报警时，可及时将报警信息发送给运维人员进行处理，当水位继续上涨触发第2 级报警时，系统可不经过运维人员应答，直接启动水泵进行排水。

（4）小动物监控。采用微波感应技术测量目标的运动、速度以及方向，进而判断物体是否存在。电磁波遇到移动物体的表面会产生散射现象，部分电磁能量通过移动物体表面的反射到达探测器的接收天线，通过信号处理将现场物体移动信息调制为电信号，实现数据感知[6]。

2.2 数据网络传输层

数据传输层采用综合单元GPRS 数据终端设备（Data Termind Unit，DTU），将采集处理的串口数据转化为IP 数据，通过GPRS 网络向Internet 网络传输，路径如图2 所示[7]。硬件系统主要由CPU 控制模块、GPRS 模块、电源模块等组成。本文系统选用的GPRS-DTU 含RS-485 接口，可以与数据感知层各类模拟量采集模块的RS-485 接口实现并行连接，通过RS-485 总线将数据通过GPRS 网络进行无线发送。此外，本系统数据传输层采用支持晶体管-晶体管逻辑通信（Transistor Transistor Logic，TTL）、RS-232、RS-422、RS-485 接口的GPRS-DTU，可满足在恶劣环境下应用的需求，同时可兼容国内各种组态软件，方便对设备进行组态[8]。

图2 数据传输路径

2.3 数据应用管理层

管理层主要基于手机App和计算机网页平台实现，借助感知层综合采集的电缆温度、电缆沟危险气体浓度、电缆沟有无火灾发生、电缆沟积水、有无小动物等环境数据，通过GPRS-DTU 数据传输对采集的环境数据生成曲线报表进行趋势分析[9]。通过手机或者计算机网页实现终端预警和现场报警，设置远程控制功能初步消除隐患。对于无法解决的问题，系统及时将报警信息通过终端平台发送至运维人员，以便运维人员第一时间赶赴现场操作控制设备及告警装置，进而解决电缆沟的异常情况。此外，整个管理层还支持后续感知单元和控制应用终端的接入。

3 系统功能实现

整个系统通过传感、通信等物联网技术实现对电缆沟环境的跟踪预警控制，整个系统功能的实现效果如图3 所示。首先，通过第1 个扩展接口实现数据的采集和应用，综合采集电缆沟内的温度、可燃气体浓度、积水、小动物活动状态等数据，随后后台终端对采集的环境数据生成曲线报表，查询跟踪历史数据进行趋势分析；其次，通过数据网络传输实现数据的监测和跟踪，应用各种模态组件跟踪监测对象，对传输过来的模拟量进行数据的深加工，剔除不良数据组建鲁棒性能优异的数据库，以便实现数据的预警控制功能；再次，通过报警系统实现数据的远方告警，通过前期在传感控制设备上设置的动作阈值，对数据库进行控制算法的优化，提升对告警信息的灵敏度和准确度，之后将准确的控制信息传递至控制设备；最后，通过第2 个扩展接口实现数据与现场设备的联动控制，结合告警信息初步对受控装置进行自动启停，一旦无法处理，采取通信技术将报警信息发送给运维人员，以便运维人员根据报警信息，应用手机作为终端平台，实现远程综合控制现场装置，判断不同种类的告警信息手动启动风机、灭火装置、水泵、驱赶小动物装置。整个系统实现了电缆沟环境的状态跟踪监测与管理，能够及时发现并消除隐患。

4 结 论

设计的基于物联网技术的电缆沟环境监控预警系统，既适用于城区电缆沟环境的预警监测，也可应用到变电站二次设备室以及其他公共场所的地下电缆环境。整个系统的可靠性高，能够实时有效跟踪电缆沟的异常信息，通过数据分析、处理、共享，驱使系统通过报警、联动控制等方法及时将隐患消灭于萌芽状态。此外，采用该跟踪预警控制系统，可有效减少大量人力物力的支出，避免电缆沟内的恶劣环境对巡检人员安全造成影响。