施工区域地下热力管网无线振动监测系统
杨亚龙，张翼鹏，范文强，徐飞杭，何 青
(1. 天津市城安热电有限公司，天津 300204；
2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206)
随着城市管网体系的不断发展，城市基础建设也在不断扩大和升级，由此带来的频繁施工给城市各类管网设备的安全带来新的挑战[1]。传统的管网安全运行监管手段多以人工巡检为主，随着管网容量的增加，以及其他的一些原因[1]，管网的安全变得难以保证。
振动监测是设备监测应用中的常见手段，通过振动监测的方式可以有效地感知外部环境的变化[4]。将振动监测应用到管网监测当中，可以在发现异常振动时提前发出警报，防止施工等外力对管网造成破坏，从而保障管网安全。目前存在的管网监测应用当中，振动监测多被用于管道泄漏监测[5]，并且多为有线线缆方式的连接。关于无线振动监测技术在施工区域地下管网监测中的研究则相对较少，目前已知的有：文献[6-7]对输气管道第三方破坏事件类型进行了划分和特征收集，应用LABVIEW和光纤振动传感器进行研究[8]，提出了一种输气管道光纤振动监测方案，并进行了模拟试验；
文献[9]应用一种带有振动监测和无线传输功能的电子界桩，对施工破坏燃气管网问题进行了研究，采集了几种常见施工器械的振动信号，对其振动特征进行了分析，依据已有成果[10]和理论研究对监测点位的选取进行了讨论，并应用电子界桩进行了现场测试。
本文就施工区域地下管网无线振动监测系统中的关键技术进行研究，提出一种施工区域地下热力管网无线振动监测系统方案，进而针对性地研发一种管网振动监测装置，介绍该监测装置的硬件设计和软件设计，并进行现场验证。
1.1 系统方案
基于施工区域地下管网无线振动监测的目的提出以下系统方案(见图1)，其中包括云端系统和本地监测系统两部分，本文主要讨论其中的本地监测系统。
图1 管网无线振动监测系统方案
1.2 设计要点
下面结合图1的系统方案，分析介绍管网无线振动监测中的设计要点，主要包含以下4个部分。
(1) 振动监测部分。通过振动监测来监测管网的安全状况，可以在检测到异常振动时进行报警，相对于常见的管道泄漏监测来说，这是一种能够提前进行预警的监测方式，因而更加可靠。目前用于振动监测的振动传感器主要有传统传感器和微机电系统(Micro Electro Mechanical System, 简称MEMS)传感器两种。传统传感器能够监测到更大频率和更大幅度的振动，但一般体积较大，且只能输出电压信号，因此不够智能；
而MEMS传感器具有体积小、数字信号输出的优点，但相对地，目前的MEMS传感器能检测到的振动信号的频率和幅度都远不如传统传感器。考虑到实际施工区域地下管网产生的振动幅度和频率一般都较小，因此应用MEMS传感器是更优的选择。
(2) 主控部分。振动信号的采集和处理较为复杂，需要进行大量的分析计算，要求主控芯片具有较好的性能；
同时考虑到地下管网无电源线以及即使使用电源线后的维护成本，主控芯片一般使用电池供电，这就需要进行低功耗选型和设计。选择具有休眠功能并且能够定时或被外部唤醒的芯片，来实现系统的设计，降低监测功耗，获得更长的运行时长，降低维护成本。
(3) 无线通信部分。监测装置需要在检测到异常振动时及时与云端系统通信，进行报警，同时也需要定期与外部进行通信，发送心跳包，下载配置和进行固件升级。传统采用的通信方式为线缆连接，随着无线网络的迭代和铺设，目前设计应用中多采用无线连接的通信方式。就无线通信方式而言，地下管网中无线信号衰减快，一般不进行无线传感网络部署，可采取基于网络运营商基站的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，简称 NB-IoT)通信方式，配合高增益天线作单一终端通信传输。
(4) 其他部分。地下管网环境恶劣，进行系统设计时也应考虑装置的密封防水性。地下管网潮湿，很容易对裸露的电路板造成破坏，在季节性降水过后整个管道窨井甚至会浸满积水，导致设备泡在水中。因此监测装置的密封性也是极其重要的，有效的密封防水设计可以使监测装置适应恶劣的外部环境。
基于施工区域地下管网无线振动监测的系统方案和设计要点，对监测装置的硬件进行了选型和设计。
使用STM32L4系列低功耗芯片作为监测装置的主控芯片，使用亚诺德半导体的ADXL345 MEMS加速度传感器进行振动监测，使用移远通信的BC25芯片配合30 dBi高增益铜棒天线进行通信，使用专用的防水外壳进行监测装置的密封防水，使用3节锂电池和TP4065电源管理芯片作为监测装置的电源。
主控芯片使用I2C与ADXL345芯片进行通信，使用异步串口USART与BC25进行通信，电路板和锂电池固定于防水外壳内，BC25的通信天线通过外壳开孔引出，之后进行胶封。系统硬件组成如图2所示。
图2 监测装置硬件组成图
2.1 主控部分
主控芯片使用STM32L4系列芯片，该系列单片机是意法半导体设计的32位高性能低功耗应用的单片机，其内核为Cortex-M4，最高频率可达80 MHz，实现振动信号快速分析的同时，具有超低功耗待机模式；
Standby模式开启RTC定时中断和WKUP外部中断情况下，待机电流仅为0.45 μA，唤醒时间仅为14 μs，可快速处理监测到的振动信号。
STM32L4具有多个最大速率达1 000 kHz的I2C外设，装置使用I2C2，速率设定为快速模式400 kHz，将I2C2引脚及设定的两个外部中断引脚与ADXL345芯片连接，应用时使用800 Hz采样频率采样；
具有多个通用串口并可扩展多个低功耗串口，其中UART1一般作调试用，使用UART2串口连接至BC25芯片的对应串口引脚，并同样将电源控制引脚和复位引脚连接至BC25芯片；
引出一个ADC引脚至电源输出端作电量检测，同样引出STM32L4芯片的串口调试引脚，方便程序下载。
2.2 振动传感器部分
振动传感器使用MEMS传感器，具体芯片为ADXL345，其为三轴加速度传感器，可以同时监测3个方向的振动(见图3)，并具有中断输出功能，加速度检测灵敏度为3.9 mg/LSB，输出速率最大可达1 600 Hz。结合ADXL345芯片的说明文档，将ADX345芯片的I2C引脚进行10 K上拉，同样将用于SPI通信的CS片选引脚上拉，这样可以指定通信方式为I2C模式。将ADXL345的两个中断引脚连接至STM32L431RCT6的外部中断引脚，其中一个需要是WKUP中断引脚，这样可以让ADXL345唤醒休眠中的STM32L431RCT6。
图3 三轴加速度图
2.3 通信部分
通信方式选用NB-IoT，对应选择的芯片为BC25，考虑到BC25芯片外围电路包括电源电路、天线电路、SIM卡电路在内的设计的复杂性，装置使用现有的成品模块，连接30 dBi高增益通信天线，通过接插的形式连接至电路底板上。在底板上设计开关电路，使用STM32L431RCT6的IO引脚驱动P型MOS管控制整个成品模块的电源通断，以实现装置的低功耗运行。
2.4 供电部分
使用3节锂电池并联供电，电压范围为3.3～4.2 V。电路底板上使用ME6211C33稳压芯片，同时为STM32L431RCT6、ADXL345和BC25模块板供电。将USB供电端和锂电池供电端通过肖特基二极管进行防反接处理后并联，实现USB和锂电池双电源输入。
锂电池充放电管理芯片使用TP4065芯片，在输出端设计简单的电阻分压电路供主控芯片检测当前电量。
3.1 软件功能
监测装置软件设计上需要实现的功能主要为信号采集分析、通信上传、低功耗休眠3部分，其中信号采集分析部分为STM32L431RCT6从ADXL345通过I2C协议读取振动加速度数据并进行分析，通信上传部分为STM32L431RCT6通过BC25上传心跳包或报警信号和报警振动数据到服务器，低功耗休眠部分为STM32L431RCT6完成工作流程内的任务后进入低功耗休眠并定时进行心跳包上传。
3.2 低功耗休眠设计
装置的PCB板上没有LED等耗能元件，主要功耗源为振动传感器ADXL345、主控STM32L431RCT6和BC25通信模块板，其中通信模块板为主要功耗源。在软件设计上，监测时仅振动传感器工作，主控处于休眠状态，通信模块板处于关断状态，监测电流约300 mA；
开始工作后，主控唤醒，通信模块板打开，工作电流约30 mA，工作完成后，主控关断通信模块板，进入休眠。
3.3 振动信号采集及分析设计
开始工作后，主控从振动传感器采集三轴数据，采集方式为I2C从ADXL345 X0数据寄存器开始连续读6个字节，以补码的形式存储至主控，之后对其进行矢量合成，以便综合考虑三轴振动的同时减少振动信号分析计算量。
采取计算矢量合成坐标量纲参数的方式对采集的振动数据进行分析，并与设定的经验阈值进行比较判断。
3.4 软件流程设计
结合以上几部分进行管网无线振动监测装置的程序设计，监测装置的软件流程为：装置读取休眠唤醒寄存器，检测到初次启动时，配置BC25的参数，关闭命令回显和自动休眠功能，配置完成后主控芯片通过BC25获取云端的配置信息，包括运动阈值、休眠时间、监测时间等参数，之后配置ADXL345的寄存器，以设定其数据输出速率、运动阈值和中断映射等。最后关断BC25的电源，主控芯片进入休眠状态，只让ADXL345进行工作，从而控制功耗，延长续航。初次启动流程如图4所示。
图4 初次启动流程
当ADXL345检测到超出运动阈值的振动后，会触发中断，对应的中断引脚发生电平变化，从而唤醒主控芯片，主控芯片被唤醒后检测到是由WKUP引脚唤醒，便进入监测状态，监测状态中会实时读取ADXL345的加速度数据，并分析是否有异常的振动产生，如果有则进行报警，通过BC25上报数据到云端，从而通知运行维护人员。当一段时间后仍未监测到异常振动，则重新进入休眠。监测状态流程如图5所示。
图5 监测状态流程
主控芯片同样设定了RTC定时唤醒，主控芯片被唤醒后可以检测到是由RTC定时唤醒，这时便通过BC25进行心跳包上报，配置信息下载等操作。
将设计的装置布署到某市热力管网的一处窨井当中，经过一段时间的观察测试，可以从服务器上看到定时上传的心跳包以及监测到的普通振动信号和异常报警振动信号。
监测装置监测到的施工冲击振动幅值的变化曲线见图6。
图6 监测的振动信号数据
目前管网遭到第三方施工破坏而影响正常运行的事例时有发生，除了需要在企业管理、人员管理和统筹各部门工作做好防护善后措施外，也需要在管网的监测上开展一些工作，本文就施工区域地下管网的无线振动监测系统进行了研究，得到以下结论。
(1) 在现有研究成果的基础上进行深入研究，提出了一种施工区域地下管网的无线振动监测系统方案，并就其中存在的几个设计要点进行了分析。
(2) 针对提出的地下管网无线振动监测系统方案进行了硬件设计和软件设计，研发了一种使用STM32L431RCT6低功耗芯片、BC25 NB-IoT通信芯片和ADXL345 MEMS振动传感器及其边缘器件构成的管网无线振动监测装置。
(3) 对研发的地下管网无线振动监测装置进行了现场验证，将其布署到了热力管网的窨井当中，对其上传的数据进行了分析，证明了该装置和提出的系统方案的可行性。
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