基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)研究設(shè)計

鄧金偉，段吉忠，曹荀

（合肥燃氣集團有限公司，合肥230075）

近年來，國內(nèi)燃氣管網(wǎng)的規(guī)模逐步擴大，燃氣用戶的種類、數(shù)量不斷增加，城市的發(fā)展對燃氣的需求迅速增大。

隨著城市燃氣使用規(guī)模逐步增加，對城市燃氣監(jiān)控要求越來越高。燃氣屬于易燃易爆氣體，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸方式存在一定的安全隱患。有線傳輸方式對線路要求較高，當(dāng)某段線路出現(xiàn)故障時不能及時有效對采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，會導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)盲區(qū)，同時有線方式的擴展性較差，因而現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)已不適用信息化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前發(fā)展迅猛的信息技術(shù)，為城市燃氣監(jiān)控提供了新的思路，能有效解決有線傳輸方式的弊端，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸性能和效率［1－4］。

1 設(shè)計方案

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)分為三層：數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、調(diào)度應(yīng)用層。

1）數(shù)據(jù)感知層。主要包括燃氣管網(wǎng)遠程測控終端（RTU）、燃氣智能儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)等，能夠?qū)Ρ镜爻鞘腥細夤芫W(wǎng)設(shè)施進行監(jiān)控，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和閉環(huán)功能?，F(xiàn)場可采集實時有效的數(shù)據(jù)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)上傳至燃氣公司監(jiān)控中心，并且也能夠根據(jù)調(diào)度中心發(fā)出的相關(guān)指令對相關(guān)設(shè)備進行控制。數(shù)據(jù)感知層由N個不同種類的傳感器組成的傳感器節(jié)點和感知終端構(gòu)成，包括采集現(xiàn)場溫度、工作壓力、燃氣流量和燃氣泄漏等傳感器，都是城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控中必不可少的；感知終端包括具有射頻識別（RFID）標(biāo)簽的管網(wǎng)設(shè)備、探頭、全球定位系統(tǒng)（GPS）等。數(shù)據(jù)感知層主要實現(xiàn)了本地監(jiān)控區(qū)域的物體識別和相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集。

2）網(wǎng)絡(luò)通信層。由移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)兩部分組成?；ヂ?lián)網(wǎng)通信應(yīng)用在調(diào)度中心各系統(tǒng)中，通信協(xié)議采用TCP／IP協(xié)議；移動通信網(wǎng)絡(luò)是對SCADA系統(tǒng)的廣域網(wǎng)通信，實現(xiàn)調(diào)度中心與傳感器和終端設(shè)備連接，通過全球定位系統(tǒng)GPRS，ZigBee等技術(shù)以及通信公司相關(guān)信道，對指令和采集到的數(shù)據(jù)進行遠程交換。網(wǎng)絡(luò)通信層主要負責(zé)傳遞和處理感知層采集到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了信息與知識的聚合。

3）調(diào)度應(yīng)用層。主要由SCADA系統(tǒng)構(gòu)成，包括調(diào)度中心、場站控制系統(tǒng)、各種傳感器和終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等，能夠?qū)崟r有效地獲取燃氣管網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市燃氣管網(wǎng)的有效監(jiān)控。調(diào)度應(yīng)用層將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與城市燃氣管網(wǎng)需求結(jié)合在一起，保證了數(shù)據(jù)及信息的無縫鏈接和交換，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在城市燃氣管理中的應(yīng)用［5－9］。

1.2 系統(tǒng)工作原理

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為載體，采取約定的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)物與物的連接。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括RFID、信息服務(wù)系統(tǒng)、激光掃描技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GPRS及GPS，通過這些技術(shù)實現(xiàn)各種終端設(shè)備的智能識別、定位、監(jiān)控以及管理。在城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)中，ZigBee，GPRS，GPS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)Τ鞘腥細夤芫W(wǎng)進行實時的檢測、監(jiān)控和跟蹤，異常情況下可以及時關(guān)閉泄漏點附近燃氣閥門，實現(xiàn)切斷燃氣泄漏點從而防止燃爆事故發(fā)生，同時將燃氣泄漏情況第一時間向控制中心報警提示，通知搶險人員對泄漏點進行及時搶修，防止事故擴大。因此，以簡單RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)中ZigBee技術(shù)、GPRS等，將一個由較多聯(lián)網(wǎng)的識別器和龐大移動標(biāo)簽進行無線連接，這個比傳統(tǒng)單一因特網(wǎng)更為先進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢。

燃氣作為易燃易爆氣體，當(dāng)出現(xiàn)泄漏情況，其產(chǎn)生的后果十分嚴重，再者實際工作中燃氣傳輸?shù)穆肪€過長，僅通過人工監(jiān)測的方式不可能實現(xiàn)全面有效的監(jiān)控，因而有必要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對人工監(jiān)測進行改進。該城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)、遠程流量壓力監(jiān)控系統(tǒng)、遠程無線抄表系統(tǒng)、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1）燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。在城市管網(wǎng)需要監(jiān)測地點安裝可燃氣體傳感器，在調(diào)度中心以及其他監(jiān)控地點安裝聲光報警器，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee和GPRS等無線技術(shù)，傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當(dāng)出現(xiàn)燃氣泄漏情況時，監(jiān)控系統(tǒng)會通過聲光報警和短信的形式通知監(jiān)控人員、搶修人員。搶修人員會第一時間趕到現(xiàn)場，對泄漏源進行搶修，防止事故發(fā)生。

2）遠程流量壓力監(jiān)控系統(tǒng)。通過安裝在門站、調(diào)壓站的流量計，對管道內(nèi)的壓力和流量進行監(jiān)控。流量計將現(xiàn)場采集的壓力和流量數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)信號轉(zhuǎn)換，再通過ZigBee技術(shù)無線傳輸?shù)浇K端設(shè)備上，最終連接到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器上。通過監(jiān)控中心人機界面顯示，能夠直接看到城市各個管道的流量與壓力狀況，從而實現(xiàn)流量壓力監(jiān)控。

選取2017年2月～2018年2月接受診治的急性闌尾炎患者60例作為研究對象，按住院登記的順序?qū)⑵浞譃閷φ战M（前）與觀察組（后），各30例。其中，觀察組男16例，女14例，年齡23～54歲，平均年齡（37.9±5.4）歲；對照組男14例，女16例，年齡22～56歲，平均年齡（41.0±4.9）歲。兩組的性別、年齡等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

3）遠程無線抄表系統(tǒng)。民用用戶安裝無線遠傳功能的燃氣表，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點燃氣表采集的數(shù)據(jù)與燃氣公司數(shù)據(jù)建立連接，抄讀的數(shù)據(jù)存入燃氣公司無線監(jiān)控管理信息平臺中，有效減少抄表人員的工作量，提高工作效率。

4）遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在城市燃氣儲備站、門站、主管道、調(diào)壓站等燃氣管網(wǎng)重點區(qū)域，安裝攝像探頭、報警器與語音對講裝置。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)可疑情況，能夠及時報警通知監(jiān)控中心，監(jiān)控工作人員能夠通過語音對講裝置與現(xiàn)場工作人員實時溝通處置突發(fā)狀況。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地圖，對出現(xiàn)異常情況的地點進行GPS定位，使工作人員能夠在第一時間趕到事故現(xiàn)場，處置問題［6－7］。

2 ZigBee組網(wǎng)方案設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)選用CC2530芯片作為構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺，采用ZigBee協(xié)議作為通信協(xié)議。該通信網(wǎng)絡(luò)主要包括：終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、調(diào)度中心、GPRS模塊。

1）終端節(jié)點。終端節(jié)點是該系統(tǒng)的最底層，包括燃氣管網(wǎng)設(shè)備RFID標(biāo)簽、攝像頭、GPRS，外接4種傳感器模塊，分別是：溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和燃氣泄漏傳感器。終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間通過ZigBee協(xié)議通信。

2）協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是控制中心和終端節(jié)點連接的橋梁，它通過無線接收得到各個終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，其通信遵循ZigBee協(xié)議。

3）調(diào)度中心。調(diào)度中心主要由控制中心和協(xié)調(diào)器組成，其中控制中心主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制信息傳輸，控制中心、協(xié)調(diào)器以及通話和信息均通過串口通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主機設(shè)計方案

系統(tǒng)主機主要利用傳感器實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點的信息采集，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過之前已設(shè)定閥值就輸出控制信號，控制調(diào)壓站、門站閥門的開關(guān)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)完成感知終端與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸和接收。閥門的所有狀態(tài)均經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳遞給STM32微處理器（MCU），STM32微處理器根據(jù)之前設(shè)定的閥值對獲得數(shù)據(jù)進行處理判斷，并發(fā)出控制信號。另一方面移動通信網(wǎng)絡(luò)將控制的結(jié)果反饋給終端管理，終端管理也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)對STM32微處理器發(fā)出指令［10－11］。系統(tǒng)主機控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主機設(shè)計方案

該監(jiān)控系統(tǒng)主機部分主要包含STM32處理器、電源模塊、Eeprom模塊、GPRS無線通信模塊、傳感器節(jié)點、人機顯示界面。傳感器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，采集數(shù)據(jù)包括：調(diào)壓站燃氣進氣和出氣壓力、瞬時流量和累計流量、泄漏濃度、溫度等；GPRS無線通信模塊可以將采集的數(shù)據(jù)進行無線遠傳，人機顯示燃氣管網(wǎng)實時信息；電源模塊向市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)提供電源；Eeprom模塊對采集到的數(shù)據(jù)、故障等信息進行存儲，調(diào)度人員根據(jù)得到數(shù)據(jù)對開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥進行控制。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用到城市燃氣輸配SCADA系統(tǒng)中，提高燃氣系統(tǒng)的自動化和信息化水平。城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)主要由調(diào)度中心、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、調(diào)壓站和門站的數(shù)據(jù)監(jiān)測及現(xiàn)場檢測儀表、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，保證城市燃氣管網(wǎng)的中心實時監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度管理功能，保障城市燃氣安全可靠供應(yīng)。管理板以STM32處理器為核心，通過RS－232與保護板通信，并在液晶上顯示燃氣監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境實時狀況，方便用戶查看。同時還可通過按鍵操作實現(xiàn)良好的人機交互功能。管理板主要由顯示屏、鍵盤、指示燈及通信接口及其他外圍電路組成。

3.2 GPRS無線通信模塊

GPRS無線通信能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳至互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控人員通過互聯(lián)網(wǎng)可以獲得實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，并可進行存儲。傳感器節(jié)點中具有無線通信藍牙裝置，可以實現(xiàn)與GPRS無線通信模塊之間的雙向通信。傳感器節(jié)點采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，當(dāng)單個傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響整個無線網(wǎng)絡(luò)，同時防止傳感器節(jié)點之間相互干擾，相互之間不能進行通信。GPRS無線通信模塊與STM32微處理器之間通過串行口進行通信。

3.3 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點安裝在監(jiān)控現(xiàn)場，對現(xiàn)場燃氣設(shè)施進行監(jiān)控，傳感器能夠?qū)ΡO(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集。傳感器將采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，傳至數(shù)據(jù)處理單元進行處理放大，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32微處理器中。再通過無線收發(fā)裝置將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS無線通信基站，而數(shù)據(jù)遠傳則通過GPRS模塊實現(xiàn)。傳感器采用MQ－2氣體傳感器，其采用電導(dǎo)率較低的二氧化錫，具有抗干擾能力強的特點，受水蒸氣、煙等干擾氣的影響較小。

根據(jù)城市燃氣管網(wǎng)傳感器節(jié)點布局，采用ZigBee無線通信協(xié)議，確保在ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍內(nèi)，部署多個以簇頭節(jié)點為中心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個更大的以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點為中心的無線局域網(wǎng)（WLAN），最后由無線傳感匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS等無線通信方式將城市燃氣管網(wǎng)被感知信息傳輸給遠程監(jiān)控中心，以實現(xiàn)城市燃氣管網(wǎng)的實時監(jiān)測與管理。

3.4 CC2530無線收發(fā)電路

CC2530存在一個接口，可以向無線設(shè)備和STM32微處理器發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。由于CC2530芯片豐富的內(nèi)部資源和較高的處理速度，大幅簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計和繼電保護的快速性，為城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)安全使用提供了可靠保障。

3.5 電源模塊

監(jiān)控系統(tǒng)電源模塊電路主要實現(xiàn)電源電壓等級轉(zhuǎn)換，滿足CPU及外圍電路電子器件的工作要求，具有十分重要的地位，為整個系統(tǒng)的正常工作提供基本保障。電源電路的設(shè)計必須考慮以下因素：輸入和輸出電壓的等級和功率、模塊的體積和成本等。由于微處理器及外圍電路工作電壓為＋5V和＋3.3V，需要使用不同的電源模塊進行電壓等級的轉(zhuǎn)換。對所輸入的電源進行了隔離處理，將輸入的＋5V轉(zhuǎn)換為＋3.3V。

4 軟件設(shè)計

在人機界面監(jiān)測管理系統(tǒng)輸入相應(yīng)的信息后，STM32處理器通過GPRS通信模塊接收信息，在人機界面可以設(shè)置城市燃氣管網(wǎng)閥門開關(guān)時間值。同時，通過STM32處理器檢測閥門開關(guān)狀態(tài)信息，并經(jīng)過GPRS通信模塊傳輸?shù)浇K端管理系統(tǒng)。比如，某節(jié)點的傳感器檢測到燃氣出現(xiàn)泄漏，會向監(jiān)控人員發(fā)出聲光報警，同時將檢測到的信息無線發(fā)給STM32處理器并在人機界面顯示，也可以直接發(fā)至用戶手機終端上，監(jiān)控人員可以通過人機界面迅速關(guān)斷燃氣閥門，搶險人員第一時間趕到現(xiàn)場搶修，防止燃氣泄漏事故的發(fā)生。

在系統(tǒng)初始化后，建立網(wǎng)絡(luò)接收傳感器節(jié)點入網(wǎng)請求，STM32處理器開始監(jiān)控數(shù)據(jù)，判斷監(jiān)測到的數(shù)據(jù)是否超過閥值，并將采集到數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，STM32對監(jiān)控采集到的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到上位機，工作人員對城市燃氣管網(wǎng)進行監(jiān)控，通過輸出控制信號對城市燃氣管網(wǎng)閥門進行控制。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程示意

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式的不足，通過監(jiān)控現(xiàn)場傳感器節(jié)點的布置，使得系統(tǒng)監(jiān)控覆蓋范圍更廣，具有較好的通用性和擴展性。該系統(tǒng)有效地自動開關(guān)城市燃氣門站、閥室閥門，對管道出氣壓力進行調(diào)節(jié)，在發(fā)生泄漏事故時能夠通過GPS定位獲得燃氣泄漏源位置，工作人員能夠在第一時間關(guān)閉泄漏源附近的閥門，并通知搶險人員進行搶修，從而實現(xiàn)真正的實時檢測、監(jiān)控。因此，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無論身在什么地方，都可以根據(jù)傳感器節(jié)點采集到的信息，對燃氣閥門開關(guān)操作，實現(xiàn)遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)適合各種城市燃氣信息化監(jiān)控需求，可提高城市燃氣系統(tǒng)的自動化和信息化水平，保障了城市燃氣安全可靠供應(yīng)。

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