崔聞

【摘 要】在城市管理中，基礎(chǔ)設(shè)施管理是非常重要的內(nèi)容。本文介紹了一種基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)更改系統(tǒng)的應(yīng)用，可以對(duì)城市管網(wǎng)進(jìn)行有效的管理。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；城市管網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

一、背景介紹

隨著近年來(lái)我國(guó)城市發(fā)展建設(shè)速度的加快，自來(lái)水、油、天然氣等地下管廊網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越大。地下網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張使得維護(hù)這張城市的生命之網(wǎng)越來(lái)越難，如果維護(hù)工作做得不合格、不及時(shí)卻會(huì)引發(fā)各種各樣的安全事故，事故的發(fā)生意味著對(duì)國(guó)家造成了直接的經(jīng)濟(jì)損失。

在城市管網(wǎng)使用中經(jīng)常發(fā)生閥門(mén)井被掩埋、閥門(mén)井被移動(dòng)或遺失、地下管廊中有漏液滲出以及地下管廊中有燃?xì)庑孤┑任ｋU(xiǎn)情況。[1]

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，將所監(jiān)測(cè)的閥門(mén)井掩埋、丟失以及管網(wǎng)中漏液滲出、燃?xì)庑孤┑任ｋU(xiǎn)情況通過(guò)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸至運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器或監(jiān)控人員的手機(jī)APP軟件上。

具體監(jiān)測(cè)設(shè)備中所包含的傳感器包括：力傳感器、液位傳感器和燃?xì)鈾z測(cè)傳感器。具體系統(tǒng)框圖如下：

監(jiān)測(cè)設(shè)備所包含各傳感器模塊及其介紹如下：

（一）壓力傳感器

壓力傳感器用于檢測(cè)閥門(mén)井是否被掩埋。力學(xué)傳感器種類繁多，主要包括壓阻式原理、電阻應(yīng)變片原理、半導(dǎo)體應(yīng)變片原理、諧振壓力原理以及電容壓力原理等。

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中很容易看出其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)其長(zhǎng)度增加而截面積減少電阻值便會(huì)增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)長(zhǎng)度減小而截面增加電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化通常是測(cè)量電阻兩端的電壓，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況，進(jìn)而獲得壓力應(yīng)變片上所受壓力。

壓力傳感器采用離子束濺射薄膜工藝制作的應(yīng)變片敏感元件，有效地解決了粘貼式傳感器的零漂、蠕變等問(wèn)題，產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、可靠性高、精度高、工作溫度范圍寬、功耗低、溫度誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

在該項(xiàng)目中，在閥門(mén)井上安裝壓力傳感器，如若閥門(mén)井被掩埋，壓力傳感器會(huì)受到壓力而提供相應(yīng)的輸出，通過(guò)NB-IOT傳輸方式，傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)，從而使監(jiān)測(cè)方得知閥門(mén)井被掩埋。

（二）液位傳感器

為保證測(cè)量精度，擬采用磁柵傳感器，磁柵傳感器按照磁柵的工作原理而設(shè)計(jì)。磁柵的工作原理主要是磁電轉(zhuǎn)換，磁柵尺為已錄制好磁波的磁性尺。磁柵尺上相鄰柵波的間隔距離稱為磁柵的柵距。在測(cè)量液位時(shí)，磁柵傳感器將液體深度轉(zhuǎn)換為磁柵的柵距數(shù)。磁柵上的柵距數(shù)越多，測(cè)量精確度越高。我單位可根據(jù)用戶對(duì)于液位的測(cè)量精度要求，靈活選擇磁柵上的柵距數(shù)目。

該磁柵傳感器采用TMR元件，TMR元件全稱磁電阻效應(yīng)傳感器，其主要工作原理是磁性材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比廣泛應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）也可以用來(lái)代指TMR元件，與霍爾元件相比較，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更好的線性度，更低的功耗和更高的靈敏度，并且不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；與AMR元件相比較，其具有更好的溫度穩(wěn)定性，更寬的線性范圍和更高的靈敏度，并且不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)；與GMR元件相比較，其具有更好的溫度穩(wěn)定性，更寬的線性范圍，以及更低的功耗和更高的靈敏度。

磁柵液位傳感器量程受到水溫、水質(zhì)（鹽度、含沙量）和液體性質(zhì)的影響很小、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，具有線性度高和誤差小的特點(diǎn)，特別適用于本項(xiàng)目中液位的精確測(cè)量。

（三）燃?xì)鈾z測(cè)傳感器

該傳感器用于檢測(cè)地下管網(wǎng)燃?xì)夤艿佬孤┦录？扇細(xì)怏w主要由烷烴等有機(jī)氣體和某些無(wú)機(jī)氣體組成，其為石油化工等工業(yè)場(chǎng)合遇到最多的危險(xiǎn)氣體?？扇?xì)怏w與氧氣混合并達(dá)到一定濃度時(shí)，一旦遇到具有一定溫度的明火即發(fā)生爆炸?？扇?xì)怏w遇明火發(fā)生爆炸的濃度稱為爆炸極限，必須有足夠的氣體或蒸汽存在時(shí)才可能發(fā)生爆炸，但過(guò)多的氣體又會(huì)使氧氣被取代而無(wú)法支持燃燒。因此，若想發(fā)生燃燒，則對(duì)氣體濃度的上限和下限都有所要求，這些限制被稱為爆炸下限（LEL：Lower Explosive Limit）和爆炸上限（UEL：Upper Explosive Limit）。只有在一定的濃度范圍，這種混合物才會(huì)發(fā)生爆炸。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度在LEL（可燃?xì)怏w濃度不足）至UEL之間（氧氣不足）才會(huì)發(fā)生爆炸。

該傳感器實(shí)際上是由惠斯通電橋組成的檢測(cè)單元。惠斯通電橋中的一個(gè)鉑金絲電橋上涂有催化燃燒介質(zhì)，無(wú)論遇到任何可燃?xì)怏w，涂有鉑金絲電橋的電阻都會(huì)由于溫度的變化而發(fā)生改變。這種電阻變化同可燃?xì)怏w的濃度成一定比例，通過(guò)數(shù)字電路測(cè)量并計(jì)算出可燃?xì)怏w的濃度，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

該燃?xì)鈾z測(cè)傳感器具有穩(wěn)定性好、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。在惡劣環(huán)境中，仍然具有良好的性能。尤其適用地下管廊等環(huán)境。[2]

三、詳細(xì)介紹

在本項(xiàng)目中，采用我單位自主研發(fā)的基于NB-IOT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

NB-IOT是這兩年火熱的名詞，和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)一樣在IT行業(yè)被熱捧。NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的簡(jiǎn)寫(xiě)，現(xiàn)在中國(guó)的主流運(yùn)營(yíng)商都在加緊部署NB-IOT網(wǎng)絡(luò)。

項(xiàng)目智能終端采用意法半導(dǎo)體的超低功耗stm32l051系列單片機(jī)做中央控制，將上述介紹的力傳感器、液位傳感器和燃?xì)鈾z測(cè)傳感器所采集到的信號(hào)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)端。

服務(wù)器端軟件登錄后的主界面即為監(jiān)控界面，監(jiān)控界面可以彈窗提醒閥門(mén)井的液位、燃?xì)饧皦毫Ω婢畔ⅰ?h3>四、結(jié)語(yǔ)

本次的項(xiàng)目建設(shè)，主要以建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為主，此部分建設(shè)為市政部門(mén)首次建設(shè)，因此以標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、平臺(tái)建設(shè)先行，在充分論證的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用管理平臺(tái)的建設(shè)，并利用此平臺(tái)來(lái)服務(wù)于市政各個(gè)感知設(shè)備，采集并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中、挖掘，為市政管理提供科學(xué)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌勇.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市排水管線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2013.

[2]李士武、劉旭、陳曉爽.物聯(lián)網(wǎng)和GIS的地下管網(wǎng)三維實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].科技視界，2020（34）：118-119.