具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构的制作方法

1.本实用新型属于电力设备、电力施工技术领域，尤其涉及一种具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构。


背景技术：

2.高压输电线路塔架在架设前一般需要打上半径1米、深度10～20米的垂直深井，通过深井将塔架牢牢地固定在建设点地面。为了避开居民区，高压输电线路塔架一般架设在山岭等复杂地域，大型机械无法开到现场作业，因此现场大多采用人工掏挖式施工。但由于塔架架设点地质条件复杂，深井中暴露出的土质可能存在易燃易爆、硫化氢、一氧化碳等有害气体浓度超标及氧气浓度偏低等安全隐患，威胁施工人员的生命安全。
3.根据相关安全工作规程要求，施工人员进入深基坑作业前，需要检测作业空间内氧气、易燃易爆气体及有毒有害气体浓度，确保作业空间安全后方可进入基坑内作业，防止发生重大安全事故。
4.目前普遍做法主要为在下坑之前，先进行有害气体浓度测量，常用的方法是采用有线式监测设备下放到基坑里面实现有害气体传感及信号传输，施工人员通过测量装置确认坑下无有害气体后再下井作业。
5.虽然目前也有集成4g模块、zigbee、wifi无线组网模块的便携式气体传感终端，但是在20米深的垂直深井下，基本没有4g信号；且zigbee、wifi等无线信号因为衰减而无法正常通信；将便携式气体传感终端放置深井下，井上施工人员很难或者根本无法直接获取井下检测仪的测量数据，因此往往需要将便携式气体传感终端吊装至井下，检测后再吊装至地面读取数据，导致测结果存在时间延迟，做不到行实时监测，操作也十分不便。
6.在某些偏远地区，基坑口也没有4g信号，导致测量数据不能实时上传及下发展示。
7.综上所述，现有的传统测量方式存在问题如下：
8.(1)有线式监测施工人员作业过程中，无法方便的知道有害气体浓度情况，需要井上人员配合通知，或者时刻关注井上监测装置的报警状态，同时坑下空间狭小，有线监测设备线缆会影响施工人员下井、上井速度及作业效率；基坑工地的其它作业人员在不增加设备的前提下无法了解基坑环境状态是否存在危险。
9.(2)便携式气体传感终端测量方式虽然在井下作业时可以让施工人员实时知道优化气体浓度情况，但下井前测量存在数据测量时延问题，因为井下气体浓度会时刻变化，且在施工过程中出现报警时，井上人员无法立即知晓井下情况以快速采取处理措施，且施工人员也无法实现紧急救援呼叫；基坑工地的其它作业人员在不增加设备的前提下同样无法了解基坑环境状态是否存在危险。


技术实现要素：

10.为了克服现有技术的缺陷和不足，本实用新型提供一种具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，提供了更适用于基坑施工现场的组网结构和节点设备的优
选设计。
11.其最核心的特征在于提出了在施工现场构建lorawan网络以实现基坑内外的区域组网，为本地化采集、预警信息畅通奠定了硬件基础。在此基础上，可以进一步实现信息的远传或者现场边缘计算处理，能够更有效保障施工安全，且使用操作方便。
12.其具体采用以下技术方案：
13.一种具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：在基坑内布设一个或多个气体传感终端，在基坑外布设一个或多个现场边缘终端；所述气体传感终端与现场边缘终端通过lorawan网络构成连接；所述现场边缘终端通过移动通信网络连接后台监控系统；
14.所述气体传感终端采用单片机作为处理器，分别连接lora模块、氧气传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器以及电源模块。
15.进一步地，所述单片机采用stm32l051，lora模块采用sx1278、氧气传感器采用honywello2-g2、一氧化碳传感器采用honywell4co-1000、硫化氢传感器采用honywell4h2s-100、甲烷传感器采用honywell4ch4-100，电源模块采用mp28163gq，并配置有三洋ur145003.7v4000mah的电池。
16.进一步地，所述气体传感终端采用聚酯橡胶壳体封装，外壳背部通过加强螺纹孔安装有安全带锁扣，用于将气体传感终端夹在施工人员穿戴的安全带上；所述壳体对应四个气体传感器的安装位置设置有开孔，用于气体扩散到传感器进行测量；所述壳体的四个脚采用透明聚酯窗，用于安装led指示灯，所述led指示灯连接单片机。
17.进一步地，所述现场边缘终端采用聚酯橡胶壳体封装；底部安装永磁体，用于吸附在基坑井架表面。
18.进一步地，所述现场边缘终端包括：ai处理器、存储器、wifi热点模块、lorawan网关、4g/5g模块、北斗定位模块、声光报警器、485通信控制电路及11000mah锂电池；所述lorawan网关用于组建现场lora通信网络，接收气体传感终端上传的氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值。
19.进一步地，鼓风机联动接口为电源控制继电器节点信号及485通信接口，所述现场边缘终端经继电器连接鼓风机的电源，用于在气体浓度报警时闭合现场基坑鼓风机电源，并通过485通信接口连接鼓风机，用于监视鼓风机运行状态。
20.本实用新型及其优选方案提出了在施工现场构建lorawan网络以实现基坑内外的区域组网，为本地化采集、预警信息畅通奠定了硬件基础。在此基础上，可以进一步实现信息的远传或者现场边缘计算处理，能够更有效保障施工安全，且使用操作方便。
附图说明
21.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
22.图1是本实用新型实施例组网结构示意图。
23.图2是本实用新型实施例挂配式气体传感终端外形图。
24.图3是本实用新型实施例现场边缘终端正面外形图。
25.图4是本实用新型实施例现场边缘终端背面外形图。
26.图5是本实用新型优选实施方式后台终端界面图。
27.图6是本实用新型优选实施方式移动终端界面图。
具体实施方式
28.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
29.需要特别强调的是，本实施例结构方案的设计要点和核心在前文当中已经明确和阐述，在本实施例中，提供的是在此基础上适于实用的更为优选的具体设计，其中可能包含涉及软件或方法的具体方案，但并不意味着实现本设计目的必须依赖这些优选的技术，本实施例的公开内容也不应视为对本实用新型结构设计保护范围的限制。
30.本实用新型提出的适配于安全绳的无线挂配式基坑气体监测单兵作业装备，通过气体传感终端实现深基坑可燃气体、氧气、硫化氢、一氧化碳气体浓度值实时监测，并通过lora无线上传现场边缘终端(可以选择就地边缘数据处理)、边缘终端将计算结果上传监控后台进行展示及监控，并可以通过服务器下发到现场移动监控终端进行展示及监控。
31.在形成lora本地组网和进一步远传通信网络的基础上可以实现以下功能：
32.当基坑中目标气体浓度达到设定的报警值或者施工人员按下挂配式气体传感终端紧急呼救按钮时，挂配式气体传感终端、现场边缘终端、监控后台及现场移动监控终端将同步发出显著的声、光及振动报警信号，提醒施工人员、后台监控人员及现场监护人员该气体浓度已超标，需要及时规避危险并采取相应的处置措施，降低深基坑作业安全风险，保障施工人员的人身安全。
33.更为重要的是，该设计能够解决传统有线式监测设备沿井深放线的弊端，便携式无线检测仪监测数据无法上传及缺乏本地呼救功能的弊端，在基坑施工现场环境嘈杂的环境下实现基坑有毒气体状况实时监测，解决无法让现场所有人员在第一时间收到报警信号，而错过最佳处理时间的弊端。
34.如图1所示，本实施例方案组网的设备组成方案为：
[0035][0036][0037]
其中，本实施例方案的核心部分是气体传感终端和现场边缘终端组成的本地lora组网结构，后端部分属于优选方案，并非必要和核心设计。
[0038]
在该优选设计中，主要由感知层、联络层、平台层及应用层组成，其中感知层为布置在不同施工位置的挂配式气体传感终端，采用适配安全绳的挂配式设计，可以通过挂配在现场施工人员的安全带上，实现基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度实时监测、无线上传、本地声光报警、人工呼救及呼救主动取消功能等功能。
[0039]
联络层为现场边缘终端，采用远距离lorawan网络充当挂配式气体传感器及后台监控系统的中间桥梁，实现基坑经纬度定位、基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时接收、就地计算、存储及预测报警、4g上传运行在云平上台的监控后台、现场声光振动报警、鼓风机联动控制、杆塔拉力及倾角信号接入等功能，同时提供wifi热点，在无4g网络信息的位置，可以通过wifi网络下发数据到现场所有移动监控终端。
[0040]
平台层为后台监控系统，运行在云服务器上，实现不同位置基坑有害气体检测的
无线挂配式装备状态管理、百度地图定位、基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时接收、存储、展示、报警阈值设置、报警事件查询、报警状态展示、人工取消报警接口等功能。
[0041]
应用层为现场移动监控终端，通过平板电脑及手机访问后台监控系统的数据服务，在不同施工位置的施工现场及同一施工现场的不同位置的监控点位以分布式同步的方式实现基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时展示、报警阈值设置、声光报警。
[0042]
作为具体的优选设计，如图2所示，气体传感终端整体采用聚酯橡胶壳体封装，外观尺寸大小为长115mm,宽72mm,厚度27mm，外观防护等级为ip66。
[0043]
气体传感终端壳体形状按照人手美学要求设计，方便手持，外壳背部设计加强螺纹孔安装安全带锁扣(现有常规结构设计，图中未示出)，方便施工人员将气体传感终端夹在穿戴的安全带上。
[0044]
壳体正下方设置直观的sos按键，方便异常情况下施工人员发出紧急救援信号，该功能可以在单片机的基础上通过常规技术实现。壳体在四个气体传感器预留孔位，方便气体扩散到传感器内部进行测量。壳体四个脚设计成透明聚酯窗，方便led灯光扩散。
[0045]
气体传感终端内部包含低功耗微处理器、液晶显示器、氧气、硫化氢、一氧化碳等三个电化学传感器、甲烷传感器及调理电路、led指示灯、蜂鸣器、振动器、按键、lora模块、定向增强天线及4000mah锂电池，满电续航时间16小时。气体传感终端外壳及内部所有器件按照防爆要求设计。气体传感终端首界面实时显示氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度并通过lora上传到现场边缘终端，当氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度超过安全报警阈值时，气体传感终端发出声光振动报警信息，提醒施工人员。当施工人员按下sos按键时，气体传感终端界面显示sos，同时发出声光振动报警信息，并发送无线数据包通知现场边缘终端，在紧急任务完成后，施工人员可以按取消键退出sos报警状态，气体传感终端同时可以接收现场移动监控终端的人工解除报警命令退出sos报警状态数。气体传感终端外形如图2所示，主要部件选型如下表所示。
[0046]
电池三洋ur145003.7v4000mahlora模块sx1278处理器stm32l051电源ldomp28163gq氧气传感器honywello2-g2一氧化碳传感器honywell4co-1000硫化氢传感器honywell4h2s-100甲烷传感器honywell4ch4-100
[0047]
如图3、图4所示，现场边缘终端采用聚酯橡胶壳体封装，外观尺寸大小为长120mm,宽76mm,高度60mm，外观防护等级为ip66。现场边缘终端底部安装强磁铁，现场可以直接吸附在基坑井架表面。壳体顶面安装4g、wifi、北斗三合一圆饼天线，壳体正面设计电源按钮、4g及wifi选择按钮、lora天线、电量指示灯、充电器接口、鼓风机联动接口、声光报警器。
[0048]
作为一种优选设计，现场边缘终端内部包含ai处理器、存储器、wifi热点模块、lorawan网关、4g模块、北斗定位模块、声光报警器、485通信控制电路及11000mah锂电池，满
电续航时间16小时。lorawan网关主要用于组建现场lora通信网络，接收基坑气体感知终端上传的氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值、sos报警状态，下发后台监控系统及现场监控终端设置的气体报警阈值、下发sos状态启动或清除命令。
[0049]
作为进一步的优选方案，lorawan网关同时还可以用于接收杆塔拉力、倾角传感器数据包。1台现场边缘终端可以接入1个基坑的气体感知终端、4个杆塔拉力、2组杆塔倾角监测终端。ai处理器、存储器在经过编程设计的情况下可以实现现场基坑气体浓度、杆塔拉力、倾角等参数的收集、运算、存储；ai处理器对接收的氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值、拉力、倾角数据进行分析运算、存储、超阈值报警，并可以通过历史数据波构建随机矩阵，采用矩阵分析方法对各个监测参数的发展趋势进行预测报警。
[0050]
4g模块实现氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值、拉力、倾角数据上传后台监控系统，并接收后台监控系统下发的气体报警阈值、sos状态清除或启动命令。当现场4g网络非常差无法连接监控后台时，4g及wifi选择按钮可以让施工人员将现场终端切换到wifi热点工作模式，通过wifi热点将基坑监测数据及报警状态数据发送到各现场移动监控终端。声光报警器为带灯光指示的蜂鸣器，在ai处理器判断氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值、拉力、倾角实时监测数据超过阈值时，或者通过预测发展趋势发现各监测参数可能超过阈值时，控制声光报警器进行报警，现场移动监控终端及基坑气体感知终端同步声光报警，提醒施工人员。鼓风机联动接口为电源控制继电器节点信号及485通信接口，边缘控制终端在判断气体浓度报警后，通过电源控制继电器节点闭合现场基坑鼓风机电源，实现基坑快速换气，同时通过485接口查询监视鼓风机运行状态。
[0051]
后台监控系统实现不同位置基坑有害气体检测的无线挂配式装备状态管理、百度地图定位、基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度、杆塔拉力、倾角、人工救援状态数据实时接收、存储、展示、报警阈值设置、报警事件查询、报警状态展示、人工取消或启动报警接口、为现场移动监控终端提供数据服务等功能，由地图、数据显示、按钮控制、现场边缘终端及气体传感终端管理部分组成。
[0052]
地图部分按照基坑经纬度显示为图标，正常状态下，图标为绿色，基坑有害气体浓度或者杆塔拉力、倾角值发生报警后，相应图标会变成红色闪烁状态；点击图标，右侧部分可以显示当前基坑监测气体浓度值、杆塔拉力及倾角值、监测感终端状态及报警状态。右侧上端文本框可以输入基坑编号，点击定位按钮，地图显示可以自动定位到当前基坑号。右下方报警按钮，用来人工点击清除或者启动报警状态。
[0053]
现场移动监测终端采用web设计，经坑上各施工人员通过自己的手机访问后台监控系统，在不额外增加设备及施工人员负担的前提下，实现基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度、杆塔拉力、倾角、人工救援状态数据及报警状态的实时下载、显示、并实现各监测参数报警阈值设置、sos报警状态清除或启动操作。程序支持ios和安卓手机用户的使用，界面可根据手机分辨率进行自适应，时钟保持满屏显示。数据下载方式分2种，一种是通过现场4g信号访问后台监控系统；一种是通过wifi热点访问现场边缘终端，确保在施工现场无4g信号时，可以正常工作。
[0054]
程序功能模块包含“首页”、“数据”、“配置”三大模块。登录权限分为“管理员”和“访客”权限，根据手机号设置不同登录权限。只有管理员权限才能操作“配置”模块功能，进行现场边缘终端、基坑气体传感终端、拉力、倾角编号设置及各监测参数报警阈值设置。首
页包括“地图”、“报警信息”列表、“报警启停”按钮；地图默认显示所有基坑点信息，正常状态用绿色图标表示，报警状态用红色图标表示，站点检索框可以选择需要单独展示的基坑点图标；“报警信息”列表显示当前时间段的报警信息事件，点击某条报警信息事件，可以显示详细报警参数值；“报警启停”按钮用来清除或启动报警状态。“数据”界面可以查询后已经配置好的现场边缘终端、基坑气体传感终端、拉力、倾角历史数据波形。具体可以参见图5、图6。
[0055]
特别需要注意的是，以上涉及后台监控系统和现场移动监测终端软件设计部分的展示仅作为本领域技术人员在本实用新型组网结构设计方案的基础上进行进一步实现功能的参考，并非本实用新型设计所要保护的对象，本实用新型设计的实现也不依赖与以上软件或方法设计。
[0056]
根据以上提供的优选实施例设计，可以实现以下功能：
[0057]
1、基于安全绳挂配安装的基坑气体挂配式气体传感器，实现四种气体浓度监测，基坑温度监测，无线上传，人工紧急救援报警，本地声光振动报警；
[0058]
2、基于lorawan网关、4g及wifi热点、ai模块的现场边缘终端，现基坑经纬度定位、基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时接收、就地技术及预测报警、4g上传运行在云平上台的监控后台、现场移动监控终端监测数据4g下载和wifi下载、现场声光振动报警、报警信号各终端人工启动清除等功能；
[0059]
3、运行于云平台上的后台监控系统，实现不同位置基坑有害气体检测的无线挂配式装备状态管理、百度地图定位、基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时接收、存储、展示、报警阈值设置、报警事件查询、报警状态展示、人工取消报警接口、为现场移动监控终端提供数据服务等功能；
[0060]
4、布署于不同位置施工基地和同一施工基地不同基坑位置的分布式监控点位的现场移动终端，实现分布式基坑环境甲烷、硫化氢、一氧化碳等有害气体及氧气浓度数据实时展示、报警阈值设置、声光报警的同步。
[0061]
该优选设计的优势包括：
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1、便携式气体传感终端集成4种气体测量、具备无线lora上传、比市面上其它测试仪体积小；兼顾传统有线式监测设备实时监测及人工呼救及时的优点，便携式无线检测仪无引线收放工作量、干扰现场作业及适合施工人员携带的优点；
[0063]
2、可实现不同施工基坑位置的经纬度定位，同步实时监控基坑有害气体浓度及施工人员紧急求救信号，挂配式气体传感器、现场边缘终端、监控后台及现场移动监控终端将同步发出显著的声、光及振动报警信号，及时有效的提醒惯各个监控岗位及时采取相应处理措施，及时避免安全事故，各监测终端具备报警启动清除功能。
[0064]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

技术特征：
1.一种具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：在基坑内布设一个或多个气体传感终端，在基坑外布设一个或多个现场边缘终端；所述气体传感终端与现场边缘终端通过lorawan网络构成连接；所述现场边缘终端通过移动通信网络连接后台监控系统；所述气体传感终端采用单片机作为处理器，分别连接lora模块、氧气传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器以及电源模块。2.根据权利要求1所述的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：所述单片机采用stm32l051，lora模块采用sx1278、氧气传感器采用honywell o2-g2、一氧化碳传感器采用honywell 4co-1000、硫化氢传感器采用honywell 4h2s-100、甲烷传感器采用honywell 4ch4-100，电源模块采用mp28163gq，并配置有三洋ur14500 3.7v 4000mah的电池。3.根据权利要求1所述的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：所述气体传感终端采用聚酯橡胶壳体封装，外壳背部通过加强螺纹孔安装有安全带锁扣，用于将气体传感终端夹在施工人员穿戴的安全带上；所述壳体对应四个气体传感器的安装位置设置有开孔，用于气体扩散到传感器进行测量；所述壳体的四个脚采用透明聚酯窗，用于安装led指示灯，所述led指示灯连接单片机。4.根据权利要求1所述的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：所述现场边缘终端采用聚酯橡胶壳体封装；底部安装永磁体，用于吸附在基坑井架表面。5.根据权利要求1所述的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：所述现场边缘终端包括：ai处理器、存储器、wifi热点模块、lorawan网关、4g/5g模块、北斗定位模块、声光报警器、485通信控制电路及11000mah锂电池；所述lorawan网关用于组建现场lora通信网络，接收气体传感终端终端上传的氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳浓度值。6.根据权利要求5所述的具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，其特征在于：鼓风机联动接口为电源控制继电器节点信号及485通信接口，所述现场边缘终端经继电器连接鼓风机的电源，用于在气体浓度报警时闭合现场基坑鼓风机电源，并通过485通信接口连接鼓风机，用于监视鼓风机运行状态。

技术总结
本实用新型提出一种具有多种有害气体检测功能的气体传感终端的组网结构，包括在基坑内布设一个或多个气体传感终端，在基坑外布设一个或多个现场边缘终端；所述气体传感终端与现场边缘终端通过LoraWan网络构成连接；所述现场边缘终端通过移动通信网络连接后台监控系统；所述气体传感终端采用单片机作为处理器，分别连接lora模块、氧气传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器以及电源模块。提供了更适用于基坑施工现场的组网结构和节点设备的优选设计。点设备的优选设计。点设备的优选设计。


技术研发人员：郭志彬 黄伟源 吴清 黄熠
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司建设分公司
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/5/13