丁 松，王昌盛，鄭 平

（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

目前，城市地下綜合管廊建設(shè)的規(guī)模越來越大，且管廊內(nèi)部環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，各種工程管線集中在一起，其中的天然氣管線的維護(hù)尤為重要。如果發(fā)生事故，不僅影響城市生活正常進(jìn)行，還會(huì)威脅到管廊巡檢工作人員的安全。為了避免管廊內(nèi)天然氣管線的損壞與泄漏所帶來的危害，及時(shí)對(duì)綜合管廊內(nèi)部整體環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保達(dá)到實(shí)時(shí)、自動(dòng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)地下綜合管廊內(nèi)的內(nèi)部環(huán)境情況是至關(guān)重要的。因此，需要針對(duì)管廊內(nèi)天然氣氣體濃度、環(huán)境溫濕度、振動(dòng)信號(hào)等相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)這些環(huán)境參數(shù)超過預(yù)警值時(shí)，及時(shí)報(bào)警并反饋給相關(guān)管理部門，聯(lián)動(dòng)控制單元，并派巡檢人員及時(shí)維修。

現(xiàn)代城市地下通道綜合管廊內(nèi)部管理狀態(tài)復(fù)雜，缺乏智能、有效、可靠、經(jīng)濟(jì)的廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的方法與手段。針對(duì)這一問題，本文結(jié)合新興無線通信技術(shù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建綜合管廊內(nèi)部實(shí)時(shí)智能管控監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊內(nèi)部各種環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。通過模擬應(yīng)用，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效可行，為開展城市地下管道綜合管廊的智能監(jiān)控、管理及日常維護(hù)工作提供了一種有效的智能監(jiān)測(cè)解決手段。

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

城市地下綜合管廊的智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：針對(duì)綜合管廊環(huán)境的溫度、濕度、有害氣體和振動(dòng)參數(shù)信息的采集處理部分，環(huán)境參數(shù)信息遠(yuǎn)程傳輸部分，上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理PC端和移動(dòng)端部分。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

綜合管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件終端主要由電源供電模塊、環(huán)境參數(shù)信息采集傳感器模塊、STM32F103主控模塊、NB-IoT無線傳輸模塊四部分組成，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件供電、信息采集、系統(tǒng)核心控制、無線傳輸通信等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控模塊

主控模塊選用STM32F103C8T6芯片，該芯片不僅具有超低頻、低功耗、低成本的特點(diǎn)，且芯片存儲(chǔ)空間容量大，外圍電路模塊豐富，采用高性能ARMCortex-M32位的內(nèi)核，支持?jǐn)U展多種傳感器模塊，其特性完全可以滿足地下綜合管廊的復(fù)雜多變環(huán)境。

2.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)針對(duì)綜合管廊內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集選用環(huán)境溫濕度傳感器、MQ-4傳感器、振動(dòng)傳感器。

環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)選用的是DHT11數(shù)字低功耗傳感器，通過One-Wire單總線與STM32進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信，溫濕度測(cè)量精度范圍分別為0～50 ℃、20%～90%，穩(wěn)定抗干擾性強(qiáng)。有害氣體監(jiān)測(cè)選用的是MQ-4傳感器，主要針對(duì)管廊內(nèi)天然氣管泄漏產(chǎn)生的甲烷等有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反應(yīng)迅速，能及時(shí)測(cè)量廊內(nèi)有害氣體濃度，保證入廊巡檢人員的安全。地形變化會(huì)導(dǎo)致管廊沉降、振動(dòng)或者晃動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)備可能存在安全隱患，對(duì)此選用SW-420常閉振動(dòng)檢測(cè)傳感器，工作時(shí)電壓范圍為3.3～5 V，無振動(dòng)狀態(tài)時(shí)開關(guān)閉合表示為低電平，振動(dòng)狀態(tài)時(shí)表示為高電平，可以通過檢測(cè)輸出的高低電平來判別是否出現(xiàn)為振動(dòng)或晃動(dòng)。

2.3 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT技術(shù)主要構(gòu)建于蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，具有低網(wǎng)絡(luò)成本、低速率功耗、深覆蓋的特點(diǎn)，是一種在全球較大范圍被廣泛應(yīng)用的新興通信技術(shù)。

本系統(tǒng)選用由上海移遠(yuǎn)通信公司推出的國(guó)內(nèi)首款NB-IoT R13標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的BC95系列工程模塊，它是一款高性能、低功耗、穿透強(qiáng)、穩(wěn)定的無線通信模塊，可與多種終端設(shè)備連接，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，尺寸小，供電電壓為3.3 V，休眠功耗為5 μA，工作功耗為6 mA。由此實(shí)現(xiàn)綜合管廊內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)地與云平臺(tái)通信，保證數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為管廊內(nèi)環(huán)境采集終端和STM32F103主控制兩部分，開發(fā)軟件采用MDK5，并采用C語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)，完成GPIO口、USART串口以及ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換等初始化；將終端設(shè)備入網(wǎng)，BC95通信模塊與云平臺(tái)對(duì)接，等待數(shù)據(jù)的傳輸；讀取溫濕度、天然氣濃度以及振動(dòng)傳感器參數(shù)，發(fā)送參數(shù)至CDP服務(wù)器，判斷服務(wù)器是否有指令下發(fā)。若有，則控制繼電器動(dòng)作，開啟各類執(zhí)行器工作；若無，則延時(shí)60 s，完成數(shù)據(jù)的采集與上傳。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

3.2 采集終端程序設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)信息采集終端由MQ-4傳感器、振動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器組成，將采集到的環(huán)境信息通過NB-IoT無線傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

MQ-4傳感器首先檢測(cè)到空氣中天然氣的濃度值，STM32將采集到的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后判斷天然氣濃度值是否大于參考值。如果超過參考值，則上傳報(bào)警，提醒相關(guān)巡檢人員進(jìn)行處理；如果低于參考值，則上傳儲(chǔ)存，再返回重新采集數(shù)據(jù)。MQ-4傳感器程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 氣體采集程序流程

振動(dòng)傳感器在休眠狀態(tài)時(shí)，表示為低電平，振動(dòng)開關(guān)狀態(tài)為關(guān)閉，同時(shí)綠色指示燈亮起，延遲一段時(shí)間完成數(shù)據(jù)上傳儲(chǔ)存，返回重新采集數(shù)據(jù)；當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，振動(dòng)開關(guān)斷開，表示為高電平，同時(shí)綠色指示燈不亮，并上傳報(bào)警。振動(dòng)傳感器程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 振動(dòng)信號(hào)采集程序流程

溫濕度傳感器發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，開始采集數(shù)據(jù)，再將采集的溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成主控模塊可讀取的模擬值信號(hào)，并上傳儲(chǔ)存，最后再返回重新采集。溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 溫濕度采集程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

在完成對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，搭建好監(jiān)測(cè)平臺(tái)，連接好設(shè)備，并對(duì)其通電處理，在模擬環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行采集測(cè)試來驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。實(shí)時(shí)變化曲線如圖7所示，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖8所示。正常環(huán)境下，環(huán)境參數(shù)保持不變，當(dāng)改變周圍環(huán)境時(shí)，環(huán)境參數(shù)曲線發(fā)生跳躍變化；此時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面顯示的溫度為30 ℃，濕度為77%，氣體濃度為11%，無振動(dòng)發(fā)生。

圖7 實(shí)時(shí)變化曲線

圖8 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

為了保證實(shí)驗(yàn)的客觀性，再次驗(yàn)證手機(jī)客戶端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果。通過調(diào)節(jié)設(shè)置的報(bào)警閾值，改變振動(dòng)環(huán)境。手機(jī)客戶端監(jiān)測(cè)情況如圖9所示。管廊內(nèi)溫濕度和天然氣濃度高于閾值，且振動(dòng)信號(hào)由0變?yōu)?時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，LED指示燈亮起。

圖9 手機(jī)客戶端監(jiān)測(cè)情況

5 結(jié) 語

為了避免因不可控因素導(dǎo)致綜合管廊內(nèi)部環(huán)境變化而帶來的危害，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中運(yùn)用NB-IoT無線傳輸技術(shù)，彌補(bǔ)了有線傳輸?shù)木窒扌?。通過在管廊艙內(nèi)布置高靈敏度傳感器，并通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，對(duì)管廊內(nèi)部進(jìn)行了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速的監(jiān)控和管理，確保了管廊內(nèi)部安全以及城市生活的正常運(yùn)行。