劉海磊

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，天然氣的使用也越來越普及。然而，我國城市天然氣管道卻處在地下環(huán)境中，地下環(huán)境復(fù)雜且多變，而且管道也存在著壓力低、分支多等特點(diǎn)，這無疑加大了管道監(jiān)測(cè)管理的難度。城市地下天然氣管道泄漏的原因有很多，歸結(jié)起來有以下三種狀況：管道腐蝕、地形塌陷和第三方施工作業(yè)破環(huán)。現(xiàn)如今，地下天然氣管道的泄漏監(jiān)測(cè)是城市生活必須解決的難題之一。為解決這一問題，本文針對(duì)城市地下天然氣管道泄漏時(shí)的狀況，選取相應(yīng)的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析，選用窄帶物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，完成地下監(jiān)測(cè)信息的處理、數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳輸以及地面計(jì)算機(jī)集中控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通過對(duì)天然氣管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣的泄漏并精確定位發(fā)生泄漏的位置，從而確保了城市居民的人身安全和安定生活以及工業(yè)生產(chǎn)能合理有序地進(jìn)行，大大減少了事故造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，這對(duì)改善我國城市地下天然氣管道的安全狀況具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天然氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有信號(hào)采集、信號(hào)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程傳輸、精準(zhǔn)定位和平臺(tái)顯示的功能。其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：STM32主控模塊、電源模塊、聲光報(bào)警模塊、NB-IoT模塊和云平臺(tái)服務(wù)器。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成了地下采集數(shù)據(jù)的快速上傳，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天然氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)我國天然氣管道內(nèi)復(fù)雜多變的環(huán)境，系統(tǒng)采用了多種傳感器用以監(jiān)測(cè)管道泄漏過程中的甲烷等氣體的濃度以及由于管道本身損壞造成的管道異常狀況。傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)包括：天然氣管道壓力、泄漏濃度、溫濕度等。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后傳送至STM32微處理器中，最后通過NB-IoT技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)采用的傳感器有MQ-4氣體濃度傳感器、溫濕度傳感器以及壓力傳感器等，傳感器的選擇無疑是城市地下天然氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

采集系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

2.2 主控模塊設(shè)計(jì)

主控制器作為數(shù)據(jù)采集終端中的核心部分，其作用相當(dāng)于采集終端的核心。本設(shè)計(jì)最終選為STM32F103C8T6，所用單片機(jī)不僅計(jì)算能力強(qiáng)，還具有低能耗、低成本的特點(diǎn)。其工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置高達(dá)128 KB的閃存和20 KB的SRAM，并且還擁有一個(gè)獨(dú)立的電源專用引腳VBAT。主控MCU主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、NB-IoT模塊和聲光報(bào)警模塊進(jìn)行控制，其通過GPS授時(shí)以保證每個(gè)傳感器之間都能同時(shí)工作。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的硬件設(shè)計(jì)是為了完成NB-IoT的無線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)過綜合考慮，通信模塊最終選擇了BC26模組，其不僅體積小，而且花費(fèi)的成本較低，功耗也較少，信號(hào)傳輸?shù)母采w范圍也很廣泛。NB-IoT模塊在整個(gè)系統(tǒng)中主要是負(fù)責(zé)傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，通過NB-IoT基站將所得數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)。NB-IoT運(yùn)用于遠(yuǎn)程通信中，不僅其信號(hào)的覆蓋范圍更加廣泛，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)也相對(duì)穩(wěn)定，還支持很多復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供完善的服務(wù)。

2.4 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警模塊用來檢測(cè)濃度是否達(dá)到設(shè)置的臨界值，若達(dá)到，則說明發(fā)生了泄漏，單片機(jī)將控制蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)LED亮。

3 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過濃度傳感器來實(shí)現(xiàn)，天然氣濃度采集程序流程如圖4所示。

圖4 氣體濃度采集程序流程

氣體濃度采集的具體步驟如下：

（1）設(shè)備初始化，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即天然氣濃度值。

（2）通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將采集的天然氣濃度轉(zhuǎn)換，此時(shí)單片機(jī)可讀取該模擬信號(hào)。

（3）根據(jù)模擬信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的濃度值，并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。

3.2 MCU主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)主要是為了對(duì)濃度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。先判斷天然氣的濃度是否大于設(shè)定好的閾值，若濃度過高則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，之后檢查設(shè)備是否入網(wǎng)并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT進(jìn)行傳輸，信號(hào)會(huì)通過NB-IoT上傳至云平臺(tái)，提醒工作人員對(duì)問題進(jìn)行處理。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

首先針對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，并在MDK4.50開發(fā)平臺(tái)上將程序代碼下載至每個(gè)開發(fā)電路板上，通過模擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行城市環(huán)境下天然氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)與定位。當(dāng)一切準(zhǔn)備工作完成之后，天然氣管道上已安裝好的傳感器就會(huì)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺(tái)上，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文針對(duì)城市環(huán)境下天然氣管道泄漏的問題，設(shè)計(jì)了合理有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過NB-IoT相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，彌補(bǔ)了有線傳輸?shù)牟蛔?。通過在管道周圍布置相關(guān)傳感器，使系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍更加廣泛，達(dá)到了對(duì)天然氣管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，確保了城市天然氣的安全供應(yīng)。