基于LoRa Mesh 的电缆接头测温系统在隧道运维中的应用研究

周宜傧 黎云飞 唐文娟

0 引言

随着智慧隧道的发展，用于智慧隧道建设的机电设备逐渐增多，使得隧道设备用电量急剧增加。而隧道环境下，配电柜均嵌入墙体安装且无散热装置，内部的电缆中间接头处在长时间运行过程中，并由于松动或者材料选型因素会产生大量热量，当温度超过电缆所能承受的临界温度时，其绝缘介质热稳定性变差，易发生局部放电［1］，使电能传输发生故障，甚至发生短路、引燃等安全事故，继而损坏供电电力线路，影响供电的可靠性和用电安全。此外，温度过高还会加速电缆的老化，从而会降低电缆使用寿命。因此，实现隧道环境下电缆接头温度的实时监测成为电缆安全和可靠供电的迫切需求。通过掌握隧道运行线路电缆接头处温度的变化状况，并有针对性地动态调整负荷电流，能够有效预防负荷电流过大导致的接头温度过高［2］的问题，提高电缆输电效率并保障安全运营。

当前隧道中常用的测温的方法有：感温监测、红外测温、光纤测温、点式测温［3］等。感温监测是将感温电缆贴敷在电缆护套上，虽结构简单且投资较少，但温度预警值固定不能修改且无法实现实时测温和故障位置确定的功能［4］。红外测温是采用红外技术探测线缆所发出的热辐射来检测温度值，其易受物体材质和机柜湿度等室内环境因素影响，故可靠性较低且实用性差［5］。光纤测温是基于光波中的拉曼散射原理来监测线缆温度变化，具有较强的抗电磁辐射干扰能力［6］，但解调主机设备成本较高，不适合隧道场合大批量使用。点式测温系统是利用热阻或热偶传感器进行测温［7］，其实现成本低，测量精度较高，适合电缆接头测温使用。

测温系统除了兼顾温度测量之外，还需要通过网络通讯技术实现数据的上传功能。在隧道复杂环境下，传统有线通讯方式存在布线难度大、施工成本高等问题，不适合推广使用，而无线传输由于其安装简单、维护方便、成本适中等特点成为首选通讯技术，目前适用隧道内无线通讯技术主要有ZigBee 技术和LoRa 技术。ZigBee 技术是由ZigBee联盟设计，现在已经发行到3.0.1 版本，工作在2.4G 频段，具有自组网、高传输速率、低功耗等特点，但传输距离短，不具备动态跳频、通讯协议复杂、资料开放程度低，更适合智能家居场所使用。LoRa 技术是由美国SimTech 公司发布和推广的一种基于频移键控和正交幅度调制扩频技术，可实现长距离、低功耗无线传输，具备传输距离远、穿透能力强、低成本的特点，非常适合隧道、矿井等复杂环境下的数据无线通讯应用。

LoRa Mesh 无线组网技术是基于LoRa 低功耗、长距离无线电技术的网络拓扑，具备多路径传播数据能力，可以实现节点之间的动态路由，让单点节点以同时作为数据发送和转发中继的一种Mesh 网络。其具有以下特点：

（1）自组织网络

具备自组织网络结构，新的节点可以自动搜索邻居节点网络信号，并自动加入该网络，而已经存在于网络中的节点可以自动升级为路由节点，已入网节点掉线后，自动寻找其他中继节点重连。

（2）多跳网络

采用多跳网络结构，数据可以通过多个节点路径进行中继转发传输，降低了数据丢失和延时等问题。同时，网络支持融入信道跳频技术，利用多通道进行通信，充分扩展信道容量，避免多径干扰。

（3）双向通讯

可以实现双向通讯，即节点既可以作为发送端，也可以作为接收端，并在网络上自动进行切换。

（4）低成本

无需采用昂贵的硬件设备和专业的网络部署人员即可实现网络的搭建和维护。

以上四点可以看出，LoRa Mesh 作为一种新兴的无线网络技术具有独特优势，非常适合在隧道环境下应用。

本文针对传统测温方法难以兼顾高可靠性和低成本的问题，基于LoRa 无线传输技术特征优势，提出利用LoRa Mesh 无线组网通信技术并结合传统点式测温方法完成隧道供电电缆接头测温系统设计与应用，通过实验测试验证了该系统能够实时测温并且感测精度达到0.1℃，系统联网监控中心后可以实现现场温度的监控预警联防联动，可有效预防电缆中间接头异常引发的电力电缆火灾事故发生。

1 测温系统设计

电缆接头测温系统主要由测温无线节点、无线网络拓扑、采集网关主机、后台监控中心等部分组成，系统框架如图1 所示。其中测温无线节点对电缆中间接头温度进行实时采集，并通过无线网络回传数据到采集网关主机，主机通过物联网将数据发布到后台监控中心，实现电缆中间接头温度数据的实时在线监测。

图1 测温系统框架图

首先，测温无线节点设计时需要考虑设备的整机功耗、温度测量的精准度、无线灵敏度、信号传输距离、整机成本等因素影响。故本文选择STMicroelectronics 的STM32WLE5CBU6 作为节点主控处理芯片。该主控处理芯片基于Arm Cortex-M4 32 位RISC 内核，工作频率高达48MHz，集成高速存储器和各种增强型I/O 和外设，采用自适应实时加速器无等待操作闪存，实现高性能计算，支持实时处理数据，快速反应电缆中间接头处温度异常变化，保证系统的稳定性和可靠性。芯片内置功能强大、超低功耗的无线电兼容LPWAN 解决方案，包括LoRa、（G）FSK、（G）MSK 和BPSK。其中LoRa 无线电具有高达-148dBm（10.4kHz，扩频因子12 时）的接收灵敏度，能接收微弱的信号，进而实现在弱信号环境中的长距离通信，满足隧道环境下测温系统对传输距离和可靠性的要求。这款处理芯片在-40℃到105℃工作温度范围下可以实现停机电流1.07μA、待机电流360nA 的超低功耗运行模式，可有效降低设备节点的整体功耗以延长电池供电状态下的续航能力。节点所选用的温度传感器为高精度PT100 热电阻传感器，具有很强的抗干扰能力，其零点漂移极小，测量精度高，在-200℃和650℃之间可以稳定可靠工作，具有出色的适应性。节点采用双电源供电方式，内置大容量锂电池，同时支持外部直流供电和电池充电方式，以确保个别配电柜短期断电情况下该节点依然能够实现数据的中继和转发功能。

其次，在网络拓扑结构设计时考虑了节点的安装位置所处隧道环境下的无线反射、折射、多径效应等因素，采用LoRa Mesh 技术的网状拓扑结构，其能够有效提高网络的可靠性，还能增大网络的覆盖范围和传输速率。节点启动中继入网时序图如图2 所示。在无线网络中，每个节点既可以作为数据传输的终端，同时也可以作为数据的中转站。如果某个节点发生故障，网络上的其他节点可以通过Dijkstra 最短路径算法找到其他传输路径，这样就能够在节点之间建立多条冗余链路，保障数据的可靠传输，从而提高网络的可靠性。此外，研究过程中还为网络的每个节点预置了唯一UUID 和网络密钥，方便对节点所传输的数据进行追踪监控和管理维护。

图2 节点中继入网时序图

采集网关主机放置于隧道口的机房内，采用1U机架式金属结构设计，具备防雷、防静电、防尘、抗震等优势，能够适应隧道复杂恶劣环境下的使用。如图1 所示，主机内部功能由LoRa 通信模块、核心板数据处理和存储模块、GPS 定位模块、4G 模块、串口通讯模块等组成。其中，LoRa 通讯模块允许采集网关主机接入LoRa Mesh 网络，进而查询并接收部署于隧道内的测温节点的实时测量数据。GPS 定位模块可提供主机实时的运行地理位置信息，有助于维护人员准确导航至现场进行设备维护，提高维护效率和准确性。主机支持以太网、4G、NB-IOT 等多种通信方式，可与后台监控中心建立稳定可靠的数据链路，保证数据传输的稳定性和可靠性。

主机预留了RS485 和RS232 总线通讯接口，可用于接入机房内的UPS 不间断电源、电力监控仪表、综合保护装置、配电管理单元装置等电力监控设备，可以远程遥测实现负荷实时监控和联动保护。主机以Linux 操作系统核心板为主控，具备高性能的数据采集处理和本地存储能力，可接收节点发送的数据，并进行异常告警处理和本地数据存储备份。主机与监控中心后台服务器通讯协议采用主流的MQTT 协议进行，实现采集数据的实时推送和事件订阅。在主机与监控中心网络畅通的情况下，主机主动向监控中心后台服务器推送采集的节点存储数据和实时测量数据；当主机与监控中心网络断开时，主机离线存储节点，采集数据，并运行离线监控预警联动操作托管业务程序，防止电缆头温度过高引发安全事故。主机数据采集和发布流程图如图3 所示。

图3 主机数据采集和发布流程图

2 系统测试与分析

系统设计完成后，在广西高速公路都巴路段隧道开展系统搭建与应用测试。选取的试点隧道全长2892m，在16 个配电机柜上加装电缆测温无线节点。节点供电就近从机柜内直供，通讯天线通过打孔的方式从机柜顶部引出并垂直固定到机柜面板。节点测温传感器紧贴电缆接头处表面，用导热双面胶带将两者缠绕数圈后再用3M 胶带紧固。采集网关主机安装于隧道右洞机房弱电侧机架处，主机天线从窗口缝隙引出至机房外。系统运行后，每隔10min 轮询记录一次各个节点的在线状态、数据传输时间和电缆接头温度数据。系统测试界面如下图4 所示。

图4 系统测试界面图

图4 中，设备MAC 地址为节点设备的ID，温度监测的精度可达0.1℃，系统界面还显示节点的当前电池电压和电池供电状态下的休眠值。设置休眠时间为5s，空闲等待时间为2s，界面上可以看出在每个节点的实时在线监测温度。

采集的数据时间间隔和采集序号可以生成节点数据响应条形图，如图5 所示。从图中可以看出，组网节点续传数据响应时间点各有不同，但都能在6s 内响应并回传数据，且回传数据均可以解析并显示到测试工具，证明了该种无线传输稳定可靠。

图5 节点数据响应条形图

高速公路隧道环境下无线传输存在反射、折射、多径效应等不利因素，节点间安装部署位置间距太远，将会导致无线信号无法中继交互，进而对LoRa Mesh 无线通信产生影响，因此有必要对节点间部署距离与通讯稳定性做测试分析。在该试点隧道环境下测试的节点距离与数据丢包率数据，如表1 所示。测试节点发射功率设置为22dBm，频段为470MHz，天线增益为3.5dBi，发送数据包均以100 个计数，通过接收有效数据包来计算通讯的丢包率。

表1 节点距离与数据丢包率数据表

通过丢包率与节点距离数据分析可知，节点部署间距在400m 范围内，节点间通讯丢包率能够控制在2%以下。400m 的间距能够适配绝大多数隧道内配电柜的安装位置距离，本次试点隧道的配电机柜平均间距约200m，系统在试验中能够实现无线通讯稳定可靠传输。

3 结论

本文基于LoRa Mesh 无线通信技术并结合温度测量方法研究和设计了隧道环境下供电电缆中间接头测温系统。通过实验测试表明该系统能够对电缆接头温度进行远程、无线和高精度自动监测。结合后台监控中心的事后分析，系统可有效防止中间接头处温度过高而导致的配电机柜线路故障，从而保证了配电供电的高效运行和稳定性。该系统具有广泛的应用价值，可应用于各类隧道机电设备的监测和维护。