城市環(huán)境下天然氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(lái)，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，天然氣的使用也越來(lái)越普及。然而，我國(guó)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(wú)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(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guó)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(guó)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(guò)程中的甲烷等氣體的濃度以及由于管道本身?yè)p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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后傳送至STM32微處理器中，最后通過(guò)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(wú)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(zhuān)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(guò)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(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)檢測(cè)濃度是否達(dá)到設(shè)置的臨界值，若達(dá)到，則說(shuō)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(guò)濃度傳感器來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)NB-IoT進(jìn)行傳輸，信號(hào)會(huì)通過(guò)NB-IoT上傳至云平臺(tái)，提醒工作人員對(duì)問(wèn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)上將程序代碼下載至每個(gè)開(kāi)發(fā)電路板上，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)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(yǔ)

本文針對(duì)城市環(huán)境下天然氣管道泄漏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了合理有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)NB-IoT相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，彌補(bǔ)了有線傳輸?shù)牟蛔恪Ｍㄟ^(guò)在管道周?chē)贾孟嚓P(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)。