基于无线自组网的电缆隧道综合无线监测系统研究

袁 奇，邱继东，钱天宇，蒋晓娟，许 强，王骁迪，俞 杰

(1. 国家电网上海市电力公司 电缆分公司，上海 200072； 2. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室，上海 200050)

0 引言

电缆隧道作为承担电能输送的重要通道，其内部环境的安全可靠，决定着能源供应的稳定。电缆隧道内部高压电气众多，一旦存在隐患，极有可能引发电力事故。受其封闭特性的影响，如何及时发现并诊断运行中的安全隐患一直以来都是隧道巡检工作的难点[1]。由于电缆隧道大多深入地下几米甚至十几米，且隧道空间狭小，极大地增加了巡检工作的难度。电缆隧道内部需要监测的参量、种类较多，单一的有线在线监测方法难以全部满足，必须采用多种监测手段相结合的方法才能实现，工程复杂，工作量大。另外随着城市的发展，建设的电缆隧道越来越长，传统在线监测的方法需要敷设的电缆线也越来越远，施工难度更大，且数据更易丢失、出错，降低了监测的有效性[2]。因此，亟待一种无线监测系统，实现高可靠的电缆隧道综合无线监测、故障预警。

随着物联网技术的快速发展，基于传感器与无线通信技术构建无线传感网络以实现在线监测的应用越来越多。目前，已有部分无线传感器应用于电缆隧道中[3]，但存在监测量少、数据丢失的问题。本文根据电缆隧道内部监测需求，引入mesh自组网技术，同时研究传感节点安装布点方案，构建稳定可靠的无线传感网络，实现电缆隧道综合无线监测与预警。

1 mesh无线自组网技术

无线自组网是指无线网络具有自配置、自优化、自愈合的能力[4]。该组网技术已被广泛地应用于各种无线通信的标准及协议中，不仅涵盖了适合低功耗、短距离、小带宽的物联网标准，还包含适用于大功率、远距离、高带宽的宽带业务的通信标准。

无线自组网具有网络覆盖面广，信道容量大，网络结构自行配置等优点[5]。其组建的传感网络一般为多对多点，其网络内部中的各个传感终端均可进行通信，实现传感数据灵活传输，不受网络中节点损坏导致链路中断的限制，可有效提升传感网络的稳定性。

针对隧道内存在的通信问题，本文采用mesh无线自组网技术，其组网原理[6]如下：

首先是组网阶段，每个通信模块中的网络协调器发射不同频段的广播信号，之后进入低功耗接收状态，通过比较接收到的信号强度，选择性加入信号较强的网络组中，进入低功耗等待状态；如下图1所示，从节点A至节点E有两条路径，虽然路径1节点最少，但受干扰连接稳定性差，因此会选择连接稳定的链路，即最优路径。

图1 选择最优路径Fig.1 Choose the best path

进入调整阶段后，依次以不同的射频发射功率进行通信，选择确定能够通信的最小功率，保持节点间始终以满足通信的最小功率进行；在工作阶段进行数据采集，休眠阶段则采用轮询的方式，同时网络协调器会在不采集数据的时间发送广播，收集新加入的节点和通信断开节点信息，以保证通信网络的鲁棒性和链路自愈性。当某单一节点损坏后，其他与之连接的节点会在较短的时间内自动进行搜索寻找新的路径，避免网络瘫痪或持续尝试连接造成功耗升高的问题，如下图2。

图2 重建新链路Fig. 2 Rebuild a new link

该组网工作模式使整个自组网络尽可能地降低了功耗，实现了低功耗、自适应组网和较高的组网稳定性。

2 监测系统总体设计

本文系统网络架构的总体设计方案中包括前端感知系统、系统传输网络、监控管理平台。

前端感知系统包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器(O2、CO2、CO、CH4)，系统传输网络由各传感器节点及网关构成，监控管理平台可实现隧道内部各种监测参量的查看、管理与查询。监测系统总体架构如下图3所示：

图3 监测系统总体架构示意图Fig.3 Schematic diagram of the overall architecture of the monitoring system

监测系统中各个传感终端均集成了无线通信模块，在实现状态参量感知的同时具备无线通信的能力，传感终端互相之间能够进行无线通信，基于mesh构建无线传感通信网络[7]，每个传感终端均可作为路由节点，并通过智能网关汇聚数据后统一上传至监测平台，供相关工作人员及时了解电缆隧道内各设备的运行状况，实现状态监测与故障预警。

2.1 硬件设计

本文设计的无线气体传感器主要包括主控芯片MCU、气体传感模块、mesh自组网通信模块、电池模块、天线模块及外围电路几部分。传感器硬件整体架构如下图4所示，温度和湿度传感器与气体传感器类似，此处不过多赘述。

图4 传感器硬件整体架构示意图Fig.4 Schematic diagram of the overall architecture of sensor hardware

本文选用的mesh无线自组网通信模块由射频芯片及外围电路组成，尺寸较小。且稳定性好、抗干扰能力强以及接收灵敏度高。工作频率为2.4 GHz，标准发射功率最大为+20 dBm，0 dBm时的发射电流为9.3 mA，接收电流为 8.8 mA，休眠电流仅5.0 uA，工作电压为2.7～3.6 V。模块组网采用mesh自组网协议，该协议通过多次握手确认的方式可保证数据的安全性与可靠性。

传感器部分均选用MEMS传感器，便于集成及小型化封装。

供电部分采用一次性锂亚电池供电，具有耐寒耐热、低放电率的特性，年放电率< 2%，能够满足电缆隧道潮湿环境的使用需求；

传感器各模块一体化集成设计，使用电池供电，可部署至电缆隧道中长期运行。

2.2 监测系统软件设计

基于传感器监测数据构建电缆隧道综合无线监测系统软件。传感器采集的数据通过网关上传至云服务器，监测软件从云服务器调用数据。监测软件实时展示温度传感器、湿度传感器、气体传感器(O2、CO2、CO、CH4)等的现场数据。监测软件界面如下图5所示。

图5 监测系统软件界面Fig.5 Software interface of the monitoring system

监测软件根据实际电缆隧道层次及竖井位置，对监测数据进行立体化展示。不同颜色的圆形图案表示不同的传感器，当鼠标停留在圆形图案上方时，会弹出浮框，显示该传感器类型及编号等信息。

3 传感器的安装布点方式

3.1 隧道内部无线通信的影响因素

电缆隧道中常常因无线通信链路不稳定而造成严重的信号丢包。影响电缆隧道中无线信号传输稳定性的主要因素有三方面：

1)多路径效应：接收装置同时接收来自不同方向通信设备传输过来的信号，这些信号各方面特征均不同，都在接收装置处叠加降低了通信能力，影响了通信网络的稳定性。

2)弯道结构影响：在隧道弯曲的地方，由于信号被墙体遮挡，导致衰减严重，且弯道半径越小影响越大[8]。

3)电磁干扰：电缆隧道内高压电缆众多，会产生较强的电磁场，干扰无线通信信号。

其中，弯道对无线通信信号的影响最为严重。电磁波在弯道处传输时会发生反射，绕射等多种现象，直射波则直接会被隧道墙体遮挡。此外，弯曲隧道中电磁波会发生更多的反射，导致其衰减程度比在直隧道中更严重[9-10]。因此，信号丢包现象更为严重，需要在无线传感器布点安装时着重考虑，通过测试确定传感器安装位置，确保通信稳定性。

3.2 电缆隧道传感器的安装

(1)安装布点位置

传感器的安装布点位置主要从两方面考虑，一是监测参量，二是隧道结构。

本文主要监测电缆隧道内的各种气体及环境温湿度与电缆本体温度数据。由于需要对电缆本体温度进行监测，所以通过绑扎的方式将温度传感器固定在电缆本体表面，尤其电缆接头位置是故障多发点，在条件允许保证稳定性的情况下可考虑多安装。对于环境温湿度传感器和气体传感器可分别粘贴安装于隧道内的槽盒支架上。

由于许多隧道内部结构复杂，有上下层之分，有的并非直线建设，对无线通信信号会产生一定影响。因此，为保障通信的稳定性，在传感器安装时，需根据竖井、弯道位置，酌情增加传感器的敷设数量。

(2)无线通信距离测试

为了选择设备最佳的安装位置，针对隧道直线、拐角及竖井三种情况，为保证无线通信的稳定性，传感器与通信网关安装的位置不同。

在传感设备与通信设备部署前，需对电缆隧道内部的无线通信状态进行测试，分为三种情况：

a)直线情况

以每10 m为间隔，不断增加两传感设备间的距离，测试通信情况，直到两传感设备无法连通为止；

b)弯道情况

以每5 m为间隔，不断增加两传感器设备间的距离，测试通信情况，直到两传感设备无法连通为止；

c)竖井情况

在井口附近布置一个固定的传感设备作为中转枢纽，分别在井上与井下进行距离测试，以每2 m为间隔增加井上、井下两传感设备与井口设备的距离，测试通信情况，直至井上、井口、井下三个传感器之间无法连通为止。

根据无线自组网通信连接距离测试情况，确定传感器的最优安装位置。

4 现场应用

本文中研制的电力隧道综合无线监测系统在某电力隧道开展实际应用，首先对现场实际情况进行勘查，勘查内容主要包括隧道结构，传感器安装位置等，并利用无线传感器按安装步骤进行通信距离测试，确定最佳安装位置。现场安装与测试如下图6所示。

图6 传感器安装现场图Fig.6 Picture of sensor installation site

通过现场通信测试得到，两传感器间隔10 m或20 m时数据通信20 min的丢包率均低于5%，无线通信稳定可靠。现场共安装部署了CO、CH4、O2、CO2、湿度、温度6类无线监测传感器，测量值均低于所设定的报警阈值，实现了电缆隧道环境状态的综合在线监测与异常预警，为运维检修提供了有利的参考。

5 总结

本文分析了电缆隧道内部无线通信存在的问题，并利用mesh自组网技术自组织、自愈合的特点，结合MEMS微纳传感芯片设计了电缆隧道监测用气体、温湿度等无线传感器，开发了电缆隧道综合无线监测系统。并根据电缆隧道实际结构，提出了传感器在电缆隧道内安装布点的方法，提升了隧道内部无线通信的可靠性、稳定性，实现了电缆隧道内部电缆及环境状态的无线监测与预警，保障了电缆隧道的安全稳定运行，具有显著的社会与经济意义。