基于無線自組網的電纜隧道綜合無線監測系統研究

袁 奇，邱繼東，錢天宇，蔣曉娟，許 強，王驍迪，俞 杰

(1. 國家電網上海市電力公司 電纜分公司，上海 200072； 2. 中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050)

0 引言

電纜隧道作為承擔電能輸送的重要通道，其內部環境的安全可靠，決定著能源供應的穩定。電纜隧道內部高壓電氣眾多，一旦存在隱患，極有可能引發電力事故。受其封閉特性的影響，如何及時發現并診斷運行中的安全隱患一直以來都是隧道巡檢工作的難點[1]。由于電纜隧道大多深入地下幾米甚至十幾米，且隧道空間狹小，極大地增加了巡檢工作的難度。電纜隧道內部需要監測的參量、種類較多，單一的有線在線監測方法難以全部滿足，必須采用多種監測手段相結合的方法才能實現，工程復雜，工作量大。另外隨著城市的發展，建設的電纜隧道越來越長，傳統在線監測的方法需要敷設的電纜線也越來越遠，施工難度更大，且數據更易丟失、出錯，降低了監測的有效性[2]。因此，亟待一種無線監測系統，實現高可靠的電纜隧道綜合無線監測、故障預警。

隨著物聯網技術的快速發展，基于傳感器與無線通信技術構建無線傳感網絡以實現在線監測的應用越來越多。目前，已有部分無線傳感器應用于電纜隧道中[3]，但存在監測量少、數據丟失的問題。本文根據電纜隧道內部監測需求，引入mesh自組網技術，同時研究傳感節點安裝布點方案，構建穩定可靠的無線傳感網絡，實現電纜隧道綜合無線監測與預警。

1 mesh無線自組網技術

無線自組網是指無線網絡具有自配置、自優化、自愈合的能力[4]。該組網技術已被廣泛地應用于各種無線通信的標準及協議中，不僅涵蓋了適合低功耗、短距離、小帶寬的物聯網標準，還包含適用于大功率、遠距離、高帶寬的寬帶業務的通信標準。

無線自組網具有網絡覆蓋面廣，信道容量大，網絡結構自行配置等優點[5]。其組建的傳感網絡一般為多對多點，其網絡內部中的各個傳感終端均可進行通信，實現傳感數據靈活傳輸，不受網絡中節點損壞導致鏈路中斷的限制，可有效提升傳感網絡的穩定性。

針對隧道內存在的通信問題，本文采用mesh無線自組網技術，其組網原理[6]如下：

首先是組網階段，每個通信模塊中的網絡協調器發射不同頻段的廣播信號，之后進入低功耗接收狀態，通過比較接收到的信號強度，選擇性加入信號較強的網絡組中，進入低功耗等待狀態；如下圖1所示，從節點A至節點E有兩條路徑，雖然路徑1節點最少，但受干擾連接穩定性差，因此會選擇連接穩定的鏈路，即最優路徑。

圖1 選擇最優路徑Fig.1 Choose the best path

進入調整階段后，依次以不同的射頻發射功率進行通信，選擇確定能夠通信的最小功率，保持節點間始終以滿足通信的最小功率進行；在工作階段進行數據采集，休眠階段則采用輪詢的方式，同時網絡協調器會在不采集數據的時間發送廣播，收集新加入的節點和通信斷開節點信息，以保證通信網絡的魯棒性和鏈路自愈性。當某單一節點損壞后，其他與之連接的節點會在較短的時間內自動進行搜索尋找新的路徑，避免網絡癱瘓或持續嘗試連接造成功耗升高的問題，如下圖2。

圖2 重建新鏈路Fig. 2 Rebuild a new link

該組網工作模式使整個自組網絡盡可能地降低了功耗，實現了低功耗、自適應組網和較高的組網穩定性。

2 監測系統總體設計

本文系統網絡架構的總體設計方案中包括前端感知系統、系統傳輸網絡、監控管理平臺。

前端感知系統包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器(O2、CO2、CO、CH4)，系統傳輸網絡由各傳感器節點及網關構成，監控管理平臺可實現隧道內部各種監測參量的查看、管理與查詢。監測系統總體架構如下圖3所示：

圖3 監測系統總體架構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall architecture of the monitoring system

監測系統中各個傳感終端均集成了無線通信模塊，在實現狀態參量感知的同時具備無線通信的能力，傳感終端互相之間能夠進行無線通信，基于mesh構建無線傳感通信網絡[7]，每個傳感終端均可作為路由節點，并通過智能網關匯聚數據后統一上傳至監測平臺，供相關工作人員及時了解電纜隧道內各設備的運行狀況，實現狀態監測與故障預警。

2.1 硬件設計

本文設計的無線氣體傳感器主要包括主控芯片MCU、氣體傳感模塊、mesh自組網通信模塊、電池模塊、天線模塊及外圍電路幾部分。傳感器硬件整體架構如下圖4所示，溫度和濕度傳感器與氣體傳感器類似，此處不過多贅述。

圖4 傳感器硬件整體架構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the overall architecture of sensor hardware

本文選用的mesh無線自組網通信模塊由射頻芯片及外圍電路組成，尺寸較小。且穩定性好、抗干擾能力強以及接收靈敏度高。工作頻率為2.4 GHz，標準發射功率最大為+20 dBm，0 dBm時的發射電流為9.3 mA，接收電流為 8.8 mA，休眠電流僅5.0 uA，工作電壓為2.7～3.6 V。模塊組網采用mesh自組網協議，該協議通過多次握手確認的方式可保證數據的安全性與可靠性。

傳感器部分均選用MEMS傳感器，便于集成及小型化封裝。

供電部分采用一次性鋰亞電池供電，具有耐寒耐熱、低放電率的特性，年放電率< 2%，能夠滿足電纜隧道潮濕環境的使用需求；

傳感器各模塊一體化集成設計，使用電池供電，可部署至電纜隧道中長期運行。

2.2 監測系統軟件設計

基于傳感器監測數據構建電纜隧道綜合無線監測系統軟件。傳感器采集的數據通過網關上傳至云服務器，監測軟件從云服務器調用數據。監測軟件實時展示溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器(O2、CO2、CO、CH4)等的現場數據。監測軟件界面如下圖5所示。

圖5 監測系統軟件界面Fig.5 Software interface of the monitoring system

監測軟件根據實際電纜隧道層次及豎井位置，對監測數據進行立體化展示。不同顏色的圓形圖案表示不同的傳感器，當鼠標停留在圓形圖案上方時，會彈出浮框，顯示該傳感器類型及編號等信息。

3 傳感器的安裝布點方式

3.1 隧道內部無線通信的影響因素

電纜隧道中常常因無線通信鏈路不穩定而造成嚴重的信號丟包。影響電纜隧道中無線信號傳輸穩定性的主要因素有三方面：

1)多路徑效應：接收裝置同時接收來自不同方向通信設備傳輸過來的信號，這些信號各方面特征均不同，都在接收裝置處疊加降低了通信能力，影響了通信網絡的穩定性。

2)彎道結構影響：在隧道彎曲的地方，由于信號被墻體遮擋，導致衰減嚴重，且彎道半徑越小影響越大[8]。

3)電磁干擾：電纜隧道內高壓電纜眾多，會產生較強的電磁場，干擾無線通信信號。

其中，彎道對無線通信信號的影響最為嚴重。電磁波在彎道處傳輸時會發生反射，繞射等多種現象，直射波則直接會被隧道墻體遮擋。此外，彎曲隧道中電磁波會發生更多的反射，導致其衰減程度比在直隧道中更嚴重[9-10]。因此，信號丟包現象更為嚴重，需要在無線傳感器布點安裝時著重考慮，通過測試確定傳感器安裝位置，確保通信穩定性。

3.2 電纜隧道傳感器的安裝

(1)安裝布點位置

傳感器的安裝布點位置主要從兩方面考慮，一是監測參量，二是隧道結構。

本文主要監測電纜隧道內的各種氣體及環境溫濕度與電纜本體溫度數據。由于需要對電纜本體溫度進行監測，所以通過綁扎的方式將溫度傳感器固定在電纜本體表面，尤其電纜接頭位置是故障多發點，在條件允許保證穩定性的情況下可考慮多安裝。對于環境溫濕度傳感器和氣體傳感器可分別粘貼安裝于隧道內的槽盒支架上。

由于許多隧道內部結構復雜，有上下層之分，有的并非直線建設，對無線通信信號會產生一定影響。因此，為保障通信的穩定性，在傳感器安裝時，需根據豎井、彎道位置，酌情增加傳感器的敷設數量。

(2)無線通信距離測試

為了選擇設備最佳的安裝位置，針對隧道直線、拐角及豎井三種情況，為保證無線通信的穩定性，傳感器與通信網關安裝的位置不同。

在傳感設備與通信設備部署前，需對電纜隧道內部的無線通信狀態進行測試，分為三種情況：

a)直線情況

以每10 m為間隔，不斷增加兩傳感設備間的距離，測試通信情況，直到兩傳感設備無法連通為止；

b)彎道情況

以每5 m為間隔，不斷增加兩傳感器設備間的距離，測試通信情況，直到兩傳感設備無法連通為止；

c)豎井情況

在井口附近布置一個固定的傳感設備作為中轉樞紐，分別在井上與井下進行距離測試，以每2 m為間隔增加井上、井下兩傳感設備與井口設備的距離，測試通信情況，直至井上、井口、井下三個傳感器之間無法連通為止。

根據無線自組網通信連接距離測試情況，確定傳感器的最優安裝位置。

4 現場應用

本文中研制的電力隧道綜合無線監測系統在某電力隧道開展實際應用，首先對現場實際情況進行勘查，勘查內容主要包括隧道結構，傳感器安裝位置等，并利用無線傳感器按安裝步驟進行通信距離測試，確定最佳安裝位置?，F場安裝與測試如下圖6所示。

圖6 傳感器安裝現場圖Fig.6 Picture of sensor installation site

通過現場通信測試得到，兩傳感器間隔10 m或20 m時數據通信20 min的丟包率均低于5%，無線通信穩定可靠?，F場共安裝部署了CO、CH4、O2、CO2、濕度、溫度6類無線監測傳感器，測量值均低于所設定的報警閾值，實現了電纜隧道環境狀態的綜合在線監測與異常預警，為運維檢修提供了有利的參考。

5 總結

本文分析了電纜隧道內部無線通信存在的問題，并利用mesh自組網技術自組織、自愈合的特點，結合MEMS微納傳感芯片設計了電纜隧道監測用氣體、溫濕度等無線傳感器，開發了電纜隧道綜合無線監測系統。并根據電纜隧道實際結構，提出了傳感器在電纜隧道內安裝布點的方法，提升了隧道內部無線通信的可靠性、穩定性，實現了電纜隧道內部電纜及環境狀態的無線監測與預警，保障了電纜隧道的安全穩定運行，具有顯著的社會與經濟意義。