基于物聯(lián)網(wǎng)云端平臺(tái)的800m地?zé)峋凸臒o(wú)人值守在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘要

淺層地?zé)釗Q熱井需要長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)全井段溫度?水位動(dòng)態(tài)變化，以此分析地層溫度衰減、回灌堵塞、儲(chǔ)熱性能變化，傳統(tǒng)人工定期下井測(cè)溫方式耗時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)間斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)。本文基于北京鴻鷗成運(yùn)800米深井分層測(cè)溫硬件系統(tǒng)，研究低功耗傳感硬件、4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸、地?zé)嵩票O(jiān)測(cè)平臺(tái)、移動(dòng)端小程序一體化在線監(jiān)測(cè)方案。針對(duì)野外地?zé)峋疅o(wú)市電、環(huán)境惡劣、長(zhǎng)期無(wú)人值守的工況，優(yōu)化傳感器、采集主機(jī)超低功耗硬件設(shè)計(jì)；搭建云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地溫梯度自動(dòng)計(jì)算、溫度異常預(yù)警、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能；結(jié)合河北水文地質(zhì)大隊(duì)地?zé)峋L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工程案例，論證物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地?zé)峋芷谶\(yùn)維、地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，為地?zé)峋當(dāng)?shù)字化在線監(jiān)測(cè)提供完整技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：地?zé)嵩破脚_(tái)；低功耗測(cè)溫傳感器；4G物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)人值守監(jiān)測(cè)；地源熱泵；800米換熱井；遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)；地溫梯度預(yù)警

1 引言

800m淺層地?zé)釗Q熱井分布分散，大多處于野外郊區(qū)、山區(qū)、農(nóng)田區(qū)域，多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沒(méi)有市政市電供電。傳統(tǒng)地?zé)釡y(cè)溫設(shè)備功耗較高，只能夠人工短期下放傳感器采集瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。間斷式測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)無(wú)法捕捉地層溫度晝夜波動(dòng)、回灌作業(yè)之后井筒溫度變化、汛期水位波動(dòng)帶來(lái)的溫度擾動(dòng)，不利于地?zé)峋收吓挪椤⒌卦礋岜媚苄?yōu)化。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地?zé)岜O(jiān)測(cè)行業(yè)普及，低功耗傳感硬件、無(wú)線傳輸、云端平臺(tái)成為地?zé)峋O(jiān)測(cè)主流方向。北京鴻鷗成運(yùn)研發(fā)整套適配800米深井的低功耗物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依靠太陽(yáng)能供電即可野外長(zhǎng)期運(yùn)行，自動(dòng)上傳分層溫度、水位數(shù)據(jù)至地?zé)嵩破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)整套系統(tǒng)硬件架構(gòu)、云端平臺(tái)功能、工程應(yīng)用、行業(yè)價(jià)值展開(kāi)研究。

2 野外地?zé)峋畟鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)模式現(xiàn)存痛點(diǎn)

第一，人工測(cè)溫時(shí)效性差。需要技術(shù)人員攜帶設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)下放傳感器，耗時(shí)費(fèi)力，無(wú)法全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。

第二，數(shù)據(jù)間斷缺失。只能獲取單日瞬時(shí)溫度，無(wú)法得到長(zhǎng)期連續(xù)溫度變化曲線，難以分析地層儲(chǔ)熱衰減規(guī)律。

第三，野外供電困難。傳統(tǒng)測(cè)溫設(shè)備功耗大，太陽(yáng)能供電續(xù)航不足，野外無(wú)市電場(chǎng)地?zé)o法長(zhǎng)期工作。

第四，故障發(fā)現(xiàn)滯后。井筒結(jié)垢堵塞、回灌異常造成溫度變化之后，人工測(cè)溫間隔時(shí)間長(zhǎng)，故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響地源熱泵換熱效率。

第五，數(shù)據(jù)整理繁瑣，人工記錄溫度?深度表格，手動(dòng)繪制地溫梯度曲線，工作效率低下。

3 低功耗物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

整套系統(tǒng)分為超低功耗傳感硬件層、4G無(wú)線傳輸層、地?zé)嵩破脚_(tái)服務(wù)層、移動(dòng)端小程序應(yīng)用層四大層級(jí)。

硬件層包含深井高精度低功耗溫度變送器、水位傳感器、多路低功耗采集主機(jī)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、電動(dòng)絞車下放裝置。所有傳感器、采集主機(jī)采用超低功耗芯片，休眠模式功耗微安級(jí)別，定時(shí)喚醒采集溫度數(shù)據(jù)；太陽(yáng)能板搭配大容量?jī)?chǔ)能電池，陰雨天氣依舊可以保障設(shè)備30天以上續(xù)航，適配野外無(wú)市電工況。

傳輸層搭載工業(yè)級(jí)4G無(wú)線傳輸模塊，定時(shí)將全井段91個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度、水位數(shù)據(jù)上傳云端，支持定時(shí)上傳、異常加密上傳、斷點(diǎn)續(xù)傳，野外信號(hào)較差環(huán)境下保障數(shù)據(jù)不丟失。

云端平臺(tái)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、深度?溫度表格自動(dòng)生成、地溫梯度曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢、溫度異常預(yù)警、報(bào)表導(dǎo)出、設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能；可存儲(chǔ)多年地?zé)峋B續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析地層溫度變化趨勢(shì)。

移動(dòng)端微信小程序，支持手機(jī)隨時(shí)隨地查看實(shí)時(shí)溫度、水位數(shù)據(jù)，接收異常報(bào)警，遠(yuǎn)程設(shè)置設(shè)備采集周期，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控。

4 低功耗硬件關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)

一是傳感器休眠喚醒機(jī)制。傳感器大部分時(shí)間處于休眠低功耗狀態(tài)，按照設(shè)定周期定時(shí)喚醒采集溫度，采集完成之后立刻休眠，極大降低整體功耗。

二是采集主機(jī)電源智能管控，不工作時(shí)關(guān)閉多路傳感器供電，僅保留主控芯片休眠供電。

三是4G模塊定時(shí)上線傳輸，傳輸完成之后立刻下線休眠，減少無(wú)線模塊功耗損耗。

四是太陽(yáng)能供電智能管理，電池過(guò)充過(guò)放保護(hù)，低溫環(huán)境下電池功耗優(yōu)化，適配北方冬季野外低溫工況。

5 工程案例應(yīng)用

河北省地礦局第三水文地質(zhì)大隊(duì)冀中坳陷800m地?zé)峋O(jiān)測(cè)項(xiàng)目，整套低功耗物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依靠太陽(yáng)能供電，野外連續(xù)18個(gè)月無(wú)人值守運(yùn)行，每小時(shí)自動(dòng)采集一次全井段分層溫度、水位數(shù)據(jù)，上傳至地?zé)嵩破脚_(tái)。平臺(tái)自動(dòng)生成地溫梯度曲線，當(dāng)井筒回灌堵塞造成局部溫度異常，平臺(tái)立刻推送預(yù)警信息至技術(shù)人員手機(jī)端，工作人員及時(shí)開(kāi)展洗井運(yùn)維，保障地?zé)峋畵Q熱性能。相比傳統(tǒng)人工月度測(cè)溫，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可精準(zhǔn)捕捉地層溫度細(xì)微波動(dòng)，為當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

6 物聯(lián)網(wǎng)云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行業(yè)價(jià)值

第一，實(shí)現(xiàn)地?zé)峋旌驘o(wú)人值守監(jiān)測(cè)，省去頻繁人工下井測(cè)溫成本，提升地?zé)峥辈?、運(yùn)維工作效率。

第二，獲取長(zhǎng)期連續(xù)溫度?水位時(shí)序數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析地層儲(chǔ)熱衰減、季節(jié)性溫度變化規(guī)律，優(yōu)化地源熱泵全年運(yùn)行策略。

第三，溫度異常智能預(yù)警，提前排查井筒堵塞、結(jié)垢、回灌故障，延長(zhǎng)地?zé)峋褂脡勖?/span>

第四，云端大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，構(gòu)建區(qū)域淺層地?zé)釀?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐自然資源部門地?zé)衢_(kāi)采管控。

7 后續(xù)技術(shù)升級(jí)方向

后續(xù)將升級(jí)NB?IoT低功耗傳輸模塊，進(jìn)一步降低設(shè)備功耗；搭載AI智能分析算法，自動(dòng)識(shí)別結(jié)垢、堵塞、回灌異常類型；實(shí)現(xiàn)多口地?zé)峋夯O(jiān)測(cè)管理，適配大型地?zé)峁┡?xiàng)目多井監(jiān)測(cè)需求。

8 結(jié)語(yǔ)

野外淺層地?zé)峋稚ⅰo(wú)市電、工況惡劣，傳統(tǒng)人工測(cè)溫模式無(wú)法滿足長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求。北京鴻鷗成運(yùn)800米深井低功耗物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依托超低功耗傳感硬件、4G無(wú)線傳輸、地?zé)嵩破脚_(tái)、移動(dòng)端小程序，實(shí)現(xiàn)野外無(wú)人值守全天候分層測(cè)溫。物聯(lián)網(wǎng)云端監(jiān)測(cè)技術(shù)推動(dòng)地?zé)峋O(jiān)測(cè)從人工間斷監(jiān)測(cè)升級(jí)為數(shù)字化在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，助力地源熱泵系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)維、淺層地?zé)豳Y源長(zhǎng)期勘察管控，推動(dòng)地?zé)嵝袠I(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

全套匯總分類關(guān)鍵詞

一、設(shè)備硬件類

800米深井測(cè)溫系統(tǒng)，高精度數(shù)字溫度變送器，深井耐壓傳感器，屏蔽式耐高溫傳輸電纜，多路信號(hào)采集主機(jī)，電動(dòng)絞車下放裝置，水位傳感模塊，低功耗物聯(lián)網(wǎng)模塊，4G無(wú)線傳輸模塊

二、監(jiān)測(cè)技術(shù)類

地?zé)峋謱訙y(cè)溫，長(zhǎng)線纜數(shù)字信號(hào)傳輸，多點(diǎn)同步采集，地溫梯度測(cè)試，10米間隔密集測(cè)點(diǎn)，溫度?水位一體化監(jiān)測(cè)，地溫梯度曲線生成

三、軟件平臺(tái)類

地?zé)嵩票O(jiān)測(cè)平臺(tái)，移動(dòng)端小程序，無(wú)人值守在線監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，溫度異常AI預(yù)警，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

四、行業(yè)應(yīng)用類

地源熱泵，淺層地?zé)豳Y源，復(fù)合熱泵系統(tǒng)，地?zé)釗Q熱井，井筒結(jié)垢堵塞故障診斷，回灌通道監(jiān)測(cè)，地?zé)峋淳\(yùn)維，水文地質(zhì)勘察，冀中坳陷地?zé)峥辈?/span>

五、行業(yè)對(duì)比與技術(shù)突破類

友商淺層測(cè)溫瓶頸（150?300m），北京鴻鷗成運(yùn)，國(guó)產(chǎn)化深井監(jiān)測(cè)裝備，800m深度技術(shù)突破，地下空間分層檢測(cè)升級(jí)，中深層地?zé)峋O(jiān)測(cè)研發(fā)