謝愷澤 XIE Kai-ze；耿浩 GENG Hao；叢鐸 CONG Duo；李琪 LI Qi；楊賀 YANG He

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

在經(jīng)濟和科技的相互帶動下，我國對于能源的需求與日俱增，管道作為石油、天然氣等能源的主要運輸方式之一，其安全有效運行是重中之重。管道內(nèi)檢測技術(shù)是目前國內(nèi)外公認(rèn)的確保管道安全運行的最有效手段，管道內(nèi)檢測技術(shù)以管道內(nèi)輸送介質(zhì)為行進推動力，在檢測器應(yīng)用過程中，為確保實時獲取管道內(nèi)檢測器位置和運行狀態(tài)，必需對管道內(nèi)檢測器進行實時跟蹤定位[1-2]。

目前最常用的管道內(nèi)檢測器實時跟蹤定位方法是低頻電磁跟蹤定位方法[3]。電磁定位法主要利用放置在地面的定位盒進行判別，即管道內(nèi)檢測業(yè)務(wù)開展前1-2天放置定位盒并啟動電源，當(dāng)檢測業(yè)務(wù)進行管道內(nèi)檢測器經(jīng)過定位盒下方時，定位盒將對檢測器本身的磁場信息進行采集存儲，當(dāng)檢測結(jié)束后回收定位盒，利用計算機對存儲的信息進行離線處理，從而獲取管道內(nèi)檢測器經(jīng)過定位盒時的時間，以用于后續(xù)的檢測數(shù)據(jù)的處理分析。該法方法主要采用檢測前后分離的處理方式，無法實時獲得檢測器的運行狀態(tài)，事后分析的方法也使得接收信息且具有很低的可靠性，經(jīng)常事后發(fā)現(xiàn)無效數(shù)據(jù)，來不及彌補，無法真正做到實時的在線監(jiān)測分析[4-6]。

針對目前管道內(nèi)檢測器跟蹤定位系統(tǒng)應(yīng)用的局限性，設(shè)計出一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在STM32控制器上運行的，簡單、高效、實時監(jiān)測、統(tǒng)一管理的管道內(nèi)檢測器定位監(jiān)測系統(tǒng)。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的模塊化構(gòu)成，展示并分析了各模塊的構(gòu)成原理和運行機制，并通過實驗驗證了系統(tǒng)對信息傳遞的有效性和實時性，為后期進一步研究提供了可靠理論支撐。

1 管道漏磁內(nèi)檢測器定位通信原理

管道內(nèi)檢測器跟蹤定位通信系統(tǒng)主要根據(jù)低頻發(fā)射機經(jīng)過低頻接收機下方時，接收機接收到發(fā)射信號時判斷檢測器位置和通過時間信息，利用通信系統(tǒng)實現(xiàn)跟蹤定位人員、以及不同接收機之間的相互通信，從而實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤定位信息的有效、及時傳遞，如圖1所示為管道內(nèi)檢測器跟蹤定位原理圖。

圖1 管道內(nèi)檢測器跟蹤定位原理圖

當(dāng)接收機接收到低頻信號時，觸發(fā)定位通信系統(tǒng)工作，獲取當(dāng)前時間信息，并利用無線通信模塊將時間信息進行傳遞。

1.1 定位通信系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)以STM32控制器為設(shè)計主體，以LORA通信技術(shù)為核心。系統(tǒng)利用外置的接收線圈接收檢測器運行過程中發(fā)出的低頻電磁信號，進行信號的初步方大、濾波等技術(shù)調(diào)理之后，觸發(fā)主控芯片工作，通過AD采樣將接收到的信號進行存儲，同時利用時鐘芯片讀取當(dāng)前時刻信息進行存儲，并通過通信模塊向制定的接收模塊發(fā)送時間信息；利用LCD屏幕進行時間信息的顯示，通過蜂鳴器進行檢測器位置信息的報告預(yù)警，系統(tǒng)的整體方案設(shè)計如圖2所示。

圖2 接收定位通信系統(tǒng)框圖

1.2 LORA通信技術(shù)原理

管道運輸作為長距離運輸方式，空間跨度廣，多數(shù)情況下需穿越無人地區(qū)，目前檢測器的檢測管線長度均為200-300公里，接收定位盒一般沿管線需間隔500-1000米放置。

現(xiàn)有通信技術(shù)中，有線通信由于工藝條件以及管道的長距離應(yīng)用需求限制，無法有效利用有線進行進行通訊研究；無線通信技術(shù)中，常用的有Bluetooth、ZigBee、WiFi等傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，適用范圍廣，基礎(chǔ)完善，但傳輸距離短，多在100米內(nèi)。而低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）相較于前者覆蓋范圍達幾公里，在成本、可拓展性、功耗、數(shù)據(jù)速率等方面都具有一定優(yōu)勢。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)包含Sigfox、NBIoT、LORA等多種成型技術(shù)[7-8]。Sigfox技術(shù)傳輸距離遠市內(nèi)干擾環(huán)境下有效通信距離3-10km，農(nóng)村弱干擾環(huán)境下有效通訊距離30-50km，但數(shù)據(jù)傳輸速率底每秒不足1B，國內(nèi)尚未有效應(yīng)用。NB-IoT技術(shù)為華為與高通等公司合作提出，信號覆蓋區(qū)域廣，功耗低，單一基站設(shè)備支持率高達5萬個，但成本過高，不適用于本項目。而LORA技術(shù)不僅遠距離傳輸，最高達到15km，且功耗低，終端接受電流僅10mA，最低功耗3mA，電池壽命超過10年，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，模塊成本低，適用于具備低功耗、遠距離距離、可跟蹤定位等特點的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中[9]。

對比上述三種LPWAN技術(shù)，都具有遠距離，低功耗的優(yōu)勢，Sigfox技術(shù)國內(nèi)發(fā)展較緩慢；NB-IoT需要在電信授權(quán)頻段工作，與運營商合作，成本高；LORA技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅速，而且工作在ISM免費頻段，網(wǎng)關(guān)成本低，部署簡單，有利于設(shè)計開發(fā)。綜上所述，本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，選用基于LORA技術(shù)的射頻收發(fā)芯片[2]，LPWAN無線通訊方式參數(shù)對比如表1所示。

表1 無線通信方式參數(shù)對比表

LORA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于該技術(shù)的擴頻芯片，可以實現(xiàn)節(jié)點與集中器直接組網(wǎng)連接；當(dāng)進行長距離連接時，兩者間可直接進行信息交互，有效減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗，延長設(shè)備使用壽命。LORA采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略，最大網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化每一個終端節(jié)點的通信數(shù)據(jù)速率、輸出功率、帶寬、擴頻因子等，在低功耗狀態(tài)下穩(wěn)定工作，電池壽命有效延長。LORA技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，以有相關(guān)運行標(biāo)準(zhǔn)，促進了不同通信模塊、獨立終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器之間的雙向操作性，響應(yīng)速度及處理時長大大縮短。

2 系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計與分析

定位監(jiān)測系統(tǒng)主要由信號檢測單元、數(shù)據(jù)采樣單元、時間處理單元、對外通信單元、存儲讀取一體化單元和電源單元等六部分組成。

2.1 信號檢測單元

信號檢測單元主要由極低頻信號接收線圈和信號調(diào)理電路等組成，利用接收線圈檢測發(fā)射機發(fā)出的磁場信號，利用模擬電路對信號進行初步處理，信號檢測檢測單元如圖3所示。

圖3 信號檢測單元結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)理論，接收線圈將接收到的極低頻磁場信號轉(zhuǎn)換為極低頻電壓信號，由于空間中存在諧波噪聲，空間噪聲被接收線圈接收后，疊加在有用信號中，會對極低頻信號產(chǎn)生干擾，因此，采用信號調(diào)理電路對微弱極低頻信號進行放大、濾波處理，處理之后，提供給MCU電路進行傳輸[10]。

2.2 數(shù)據(jù)采樣單元

主控MCU采用意法半導(dǎo)體公司STM32系列單片機，當(dāng)傳感器獲取磁場信號后，利用ADC采樣模塊對信號檢測單元給出的電壓信號進行采集，設(shè)計中采用MCP3202A/D信號轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)對信號的采集傳輸，該模塊具有10kHz有效時鐘頻率，轉(zhuǎn)換速率100ksps為，可將采集到的電壓信號進行處理轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字電壓信號傳輸至主控MCU單元，供后續(xù)信息的處理和分析，信號采樣模塊及外圍電路連接如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元電路

2.3 時間處理單元

為了有效獲取檢測器通過定位盒下方的時間信息，設(shè)計中采用DS1302芯片進行24小時制時間計數(shù)，該模塊采用雙電源供電方式、三線同步通信方式，保證了時間的精準(zhǔn)度；同時采用8位數(shù)據(jù)傳輸、存儲方式保證其對時間點的獲取和處理能力，時間處理單元如圖5所示。

圖5 時間處理單元電路

2.4 LORA通信單元

系統(tǒng)中采用LORA通信模塊作為整個通信系統(tǒng)的核心單元，通信單元選用Semtech公司生產(chǎn)的SX1261芯片，SX1261芯片最大鏈路預(yù)算170dB，內(nèi)置TCXO晶振，抗干擾能力強，可編程比特率高達62.5kbps，理論電流小于6.5mA。系統(tǒng)選用民用開放頻段433MHz作為通信工作頻段，SX1261芯片相應(yīng)管腳與主控制器的CLK接口連接，進行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。SX1261芯片與PE4259射頻開關(guān)芯片連接，通過相關(guān)指令實現(xiàn)對外通信收發(fā)控制，通信模塊電路如圖6所示。

圖6 LORA通信單元

依據(jù)電路原理，電感線圈會過濾掉高頻率的干擾頻率，而電容會過濾掉低頻率的干擾頻率。所以采用LC并聯(lián)濾波電路，過濾外界環(huán)境變化造成的雜波；工作頻段433MHz具備較強的抗干擾能力，保證通信通暢。

2.5 存儲讀取一體化模塊

在通過數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)采集完數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換換轉(zhuǎn)為二進制數(shù)字。通過主芯片MCU后連接存儲器FM24C512并將數(shù)字信號傳入存儲器FM24C512內(nèi)，檢測完成的數(shù)據(jù)備份，以供后續(xù)檢查。再通過PA14，PA15接口與SP3232串口完成連接。SP3232串口再將收到的數(shù)據(jù)通過JP1口與對外通信模塊中的LORA部分連接，以達到存儲讀取的目的并且工程結(jié)束后可拷貝、上傳數(shù)據(jù)，如圖7所示。電容C1，C5的作用是過濾掉一些低頻的雜波并且避免直流電過大損傷芯片。

圖7 存儲讀取單元

2.6 電源單元

作為系統(tǒng)供電核心，電源模塊以TPS54231芯片為核心，實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，滿足各模塊供電需求，12V電源電壓經(jīng)由TPS54231芯片轉(zhuǎn)為5V參考高電平同時供電各芯片，繼而轉(zhuǎn)換為3.3V參考低電平，電源單元電路如圖8所示。

圖8 電源單元電路

3 實驗與結(jié)果分析

為驗證信號傳輸?shù)挠行裕瑢υO(shè)備的通信效果以及準(zhǔn)確性進行實驗驗證，對信號的工作有效性進行驗證，測試系統(tǒng)通信性能的有效性和有效傳輸距離，實驗過程示意圖如圖9所示。

如圖9所示，在空曠的室外條件下，實驗時，令定位盒1位置固定不動，定位盒2逐漸移動，使定位盒2距離定位盒1的距離分別為500米，600米，700米，800米，900米及1000米，測試通信系統(tǒng)的有效通信距離；當(dāng)定位盒2放置在指定位置后，令定位盒1發(fā)送信息，驗證系統(tǒng)的響應(yīng)時間以及不同距離下的數(shù)據(jù)傳輸效果。

圖9 發(fā)射線圈磁場分布試驗示意圖

試驗結(jié)果表明，在野外空曠實驗條件下，兩定位盒之間具有很好的通信性能，可有效傳送信息，且實驗初步表明有效傳輸距離至少可達到實現(xiàn)1000米，雖然距離越大，響應(yīng)時間越長，但傳輸距離和響應(yīng)時間方面均具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足實際工程中管道內(nèi)檢測器實時通信的需求。

圖10 實驗結(jié)果圖

4 結(jié)論

提出了基于STM32單片機和Lora通信技術(shù)的管道內(nèi)檢測器實時通信系統(tǒng)的設(shè)計方法。詳細(xì)闡述說明了所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的管道內(nèi)檢測定位監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)成及各模塊設(shè)計，并進行了系統(tǒng)想能的初步測試。結(jié)果表明，設(shè)計的通信系統(tǒng)可有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，當(dāng)距離為1000米時，仍能進行可靠傳輸時間、編號等相關(guān)數(shù)據(jù)，對管道檢測智能化管理與運行具有重要意義。