摘 要：針對在長距離輸油管道內(nèi)檢測過程中內(nèi)檢測器檢測數(shù)據(jù)傳輸困難、無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}，提出了一種基于實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)?；?G通信技術(shù)，將信息傳輸至云平臺進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，通過歷史信息判斷檢測器運(yùn)行是否正常；設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)，檢測到數(shù)值異常時(shí)及時(shí)通過短信或微信報(bào)警提醒，避免事故發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)檢測器運(yùn)行過程中涉及的溫濕度、運(yùn)行距離等信息均能穩(wěn)定傳輸至云平臺，且可人工設(shè)置異常數(shù)值、預(yù)警機(jī)制等，管道內(nèi)檢測器運(yùn)行穩(wěn)定性和人員監(jiān)測便利性得到進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞：管道內(nèi)檢測；蜂窩通信；STM32； 物聯(lián)網(wǎng)；5G；云平臺

中圖分類號：TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.013

0 引 言

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)日益成為推動工業(yè)現(xiàn)代化與智能化的核心力量。特別是在長輸油氣管道領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用不僅極大地提升了管道管理的效率，而且為管道安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。長輸油氣管道作為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，其安全、高效的運(yùn)行對于保障國家能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義[1]。

在管道數(shù)據(jù)檢測過程中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、檢測器運(yùn)行速度、檢測器運(yùn)行位置、通過點(diǎn)信息等。且由于管道線路過長，需要工作人員對所有的監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，人工成本是一項(xiàng)很大的支出。目前對管道內(nèi)檢測器的監(jiān)測，多采用放置定位盒的方法，工作人員需要花費(fèi)幾天時(shí)間對定位盒進(jìn)行回收和數(shù)據(jù)處理，無法及時(shí)獲得管道內(nèi)檢測器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。因此，研究一種可快速向云平臺傳輸數(shù)據(jù)、并可在后臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對提高管道安全性、優(yōu)化管道維護(hù)、降低管道運(yùn)營成本具有重大意義。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 蜂窩通信技術(shù)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種基于無線通信的架構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)，包括2G、3G、4G（LTE）和5G等標(biāo)準(zhǔn)。蜂窩技術(shù)在通信中有著明顯的優(yōu)勢，如：覆蓋范圍廣，能夠滿足長距離傳輸?shù)男枨螅粩?shù)據(jù)傳輸速度快，能夠快速傳輸大量檢測數(shù)據(jù)；可靠性和穩(wěn)定性較高，能夠保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和安全性；易于部署和維護(hù)，降低了項(xiàng)目的實(shí)施難度和成本[2]。

蜂窩通信將整個(gè)通信區(qū)域劃分為若干六邊形或六角形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均由一個(gè)基站控制。這種六邊形的劃分能夠最大程度減少覆蓋區(qū)域之間的重疊，以確保信號覆蓋范圍的連續(xù)性和一致性。由于通信頻段是有限的資源，為最大限度提高頻譜利用率，各區(qū)域采用了頻率復(fù)用技術(shù)，即將可用的頻率資源分配給不同的區(qū)域，使相鄰區(qū)域使用不同的頻率，以避免頻譜干擾和信號沖突。只要同頻區(qū)域之間的距離大于同頻復(fù)用距離，則各單元無線區(qū)群可以使用相同的頻率組，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。應(yīng)滿足式（1）：

式中：Dg表示同頻無線區(qū)域中心距離；r表示無線區(qū)域半徑（正六邊形）；Dc表示同頻復(fù)用距離。需注意，N一般選擇較小的值，以提高頻率復(fù)用率，進(jìn)而節(jié)約資源[3]。

相鄰區(qū)域之間中心距離的計(jì)算見式（2）：

相鄰?fù)l道區(qū)域之間的距離見式（3）：

蜂窩通信區(qū)域基站距離計(jì)算示意如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)整體流程

由于本項(xiàng)目涉及長距離信息傳輸，通信距離需達(dá)到千米級別，因此傳統(tǒng)的如Bluetooth、WiFi、LoRa等通信距離在5 m到30 km的通信方式便不再適用[4]。研究選擇蜂窩通信方式，基于最新的CAT-5通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)無損傳輸大容量數(shù)據(jù)[5-6]。圖2為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)運(yùn)行后完成初始化操作，并將現(xiàn)場管道內(nèi)檢測器運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺，同時(shí)預(yù)警系統(tǒng)開啟[7-8]。

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)硬件部分連接如圖3所示，具體組成為：5G天線，用來傳輸和接收管道內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)；7S1-5G蜂窩模塊，上位機(jī)檢測到的信息通過串口發(fā)送至7S1模塊，并進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸；主控芯片STM32F103ZET6為最小系統(tǒng)核心板；DHT11溫濕度測量模塊，可對管道外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[9]；HC-SRF05超聲波測距模塊[10]，用以確定外部監(jiān)測器放置位置（備選傳感器）。

當(dāng)STM32最小系統(tǒng)上電，各模塊初始化完成后，溫濕度傳感器和超聲波測距模塊測得的數(shù)值會直接在網(wǎng)頁上顯示；數(shù)據(jù)每分鐘更新一次；可通過主動采集等操作在微信小程序以及網(wǎng)頁上實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)；當(dāng)環(huán)境周圍溫度、濕度升高時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)開啟，網(wǎng)頁自動報(bào)警，同時(shí)手機(jī)收到短信，提醒用戶及時(shí)處理異常，當(dāng)檢測到數(shù)值恢復(fù)正常后，警報(bào)自動解除，同時(shí)發(fā)送短信，提醒用戶模塊已恢復(fù)正常。

如圖4所示，當(dāng)環(huán)境溫濕度改變，超過設(shè)置閾值時(shí)，手機(jī)收到報(bào)警短信。

如圖5所示，用戶可以通過手機(jī)微信小程序查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)對管道進(jìn)行維護(hù)。

圖6為網(wǎng)頁客戶端，可實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)當(dāng)前定位、管道工作環(huán)境溫濕度等參數(shù)。當(dāng)濕度為28%RH，環(huán)境溫度為27 ℃，超聲波距離為0 cm時(shí)，未超過系統(tǒng)設(shè)置閾值，系統(tǒng)正常工作。而當(dāng)環(huán)境溫濕度改變，或超聲波測距超過閾值時(shí)，客戶端自動報(bào)警提示，如圖7所示。采集的數(shù)據(jù)可保存30天，以供用戶隨時(shí)查詢。網(wǎng)頁客戶端可根據(jù)采集的歷史數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖8所示。

3 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于管道內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了如下目的：

（1）通過傳感器模擬管道內(nèi)檢測器的外部運(yùn)行參數(shù)（如：溫度、濕度等）。

（2）提出了一種使用CAT1-5G與Modbus協(xié)議相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的超遠(yuǎn)距離傳輸，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（3）設(shè)計(jì)了一種基于HTML的客戶端搭建方法，搭建的客戶端可以對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂閱，并顯示在網(wǎng)頁上。同時(shí)基于JavaScript語言搭建微信小程序，用戶可隨時(shí)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了方便快捷的數(shù)據(jù)分析。

在實(shí)際應(yīng)用場景中，本研究解決了如下問題：

（1）安全問題和設(shè)備互通問題。本次物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目采用Modbus RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)規(guī)范一致，設(shè)備之間互相兼容，設(shè)備互聯(lián)互通。

（2）數(shù)據(jù)管理與分析問題。上位機(jī)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到云平臺，云平臺可將數(shù)據(jù)保存30天，同時(shí)客戶端可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制曲線圖。不同傳感器采集的不同數(shù)據(jù)使用不同顏色的曲線繪制，將數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化處理，方便用戶及時(shí)查看并報(bào)警，及時(shí)對管道進(jìn)行維護(hù)。

注：本文通訊作者為竇杰。

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作者簡介：侯松志（2003—），就讀于沈陽工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)。

竇 杰（1999—），碩士，主要從事管道無損檢測相關(guān)理論研究。

收稿日期：2024-04-18 修回日期：2024-05-24

基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（面上資助計(jì)劃項(xiàng)目）（2023-MSLH-261）；遼寧省教育廳高等學(xué)?；究蒲许?xiàng)目（面上項(xiàng)目）（LJKMZ20220477）