基于物聯網技術的城市燃氣監控系統研究設計

鄧金偉，段吉忠，曹荀

（合肥燃氣集團有限公司，合肥230075）

近年來，國內燃氣管網的規模逐步擴大，燃氣用戶的種類、數量不斷增加，城市的發展對燃氣的需求迅速增大。

隨著城市燃氣使用規模逐步增加，對城市燃氣監控要求越來越高。燃氣屬于易燃易爆氣體，現有的監測系統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，當某段線路出現故障時不能及時有效對采集的數據進行傳輸，會導致監測區域出現盲區，同時有線方式的擴展性較差，因而現有監測系統已不適用信息化發展。物聯網是當前發展迅猛的信息技術，為城市燃氣監控提供了新的思路，能有效解決有線傳輸方式的弊端，提高監測數據的傳輸性能和效率［1－4］。

1 設計方案

1.1 物聯網技術

物聯網分為三層：數據感知層、網絡通信層、調度應用層。

1）數據感知層。主要包括燃氣管網遠程測控終端（RTU）、燃氣智能儀表、傳感器、變送器、執行機構等，能夠對本地城市燃氣管網設施進行監控，對相關數據進行采集和閉環功能。現場可采集實時有效的數據，通過移動通信網絡和互聯網上傳至燃氣公司監控中心，并且也能夠根據調度中心發出的相關指令對相關設備進行控制。數據感知層由N個不同種類的傳感器組成的傳感器節點和感知終端構成，包括采集現場溫度、工作壓力、燃氣流量和燃氣泄漏等傳感器，都是城市燃氣管網監控中必不可少的；感知終端包括具有射頻識別（RFID）標簽的管網設備、探頭、全球定位系統（GPS）等。數據感知層主要實現了本地監控區域的物體識別和相關數據信息采集。

2）網絡通信層。由移動通信網絡和互聯網兩部分組成。互聯網通信應用在調度中心各系統中，通信協議采用TCP／IP協議；移動通信網絡是對SCADA系統的廣域網通信，實現調度中心與傳感器和終端設備連接，通過全球定位系統GPRS，ZigBee等技術以及通信公司相關信道，對指令和采集到的數據進行遠程交換。網絡通信層主要負責傳遞和處理感知層采集到的數據信息，實現了信息與知識的聚合。

3）調度應用層。主要由SCADA系統構成，包括調度中心、場站控制系統、各種傳感器和終端設備、數據傳輸網絡等，能夠實時有效地獲取燃氣管網采集到的數據，實現城市燃氣管網的有效監控。調度應用層將物聯網技術與城市燃氣管網需求結合在一起，保證了數據及信息的無縫鏈接和交換，實現了物聯網在城市燃氣管理中的應用［5－9］。

1.2 系統工作原理

物聯網是以互聯網為載體，采取約定的協議，通過網絡終端實現物與物的連接。物聯網核心技術包括RFID、信息服務系統、激光掃描技術、ZigBee技術、GPRS及GPS，通過這些技術實現各種終端設備的智能識別、定位、監控以及管理。在城市燃氣監控系統中，ZigBee，GPRS，GPS等物聯網技術能夠對城市燃氣管網進行實時的檢測、監控和跟蹤，異常情況下可以及時關閉泄漏點附近燃氣閥門，實現切斷燃氣泄漏點從而防止燃爆事故發生，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系統為基礎，應用現有技術中ZigBee技術、GPRS等，將一個由較多聯網的識別器和龐大移動標簽進行無線連接，這個比傳統單一因特網更為先進物聯網技術成為城市燃氣管網監控發展的必然趨勢。

燃氣作為易燃易爆氣體，當出現泄漏情況，其產生的后果十分嚴重，再者實際工作中燃氣傳輸的路線過長，僅通過人工監測的方式不可能實現全面有效的監控，因而有必要采用物聯網技術對人工監測進行改進。該城市燃氣管網監控系統主要包括燃氣泄漏監控系統、遠程流量壓力監控系統、遠程無線抄表系統、遠程視頻監控系統。

1）燃氣泄漏監控系統。在城市管網需要監測地點安裝可燃氣體傳感器，在調度中心以及其他監控地點安裝聲光報警器，采集到的數據通過ZigBee和GPRS等無線技術，傳輸到監控中心。當出現燃氣泄漏情況時，監控系統會通過聲光報警和短信的形式通知監控人員、搶修人員。搶修人員會第一時間趕到現場，對泄漏源進行搶修，防止事故發生。

2）遠程流量壓力監控系統。通過安裝在門站、調壓站的流量計，對管道內的壓力和流量進行監控。流量計將現場采集的壓力和流量數據經過模數信號轉換，再通過ZigBee技術無線傳輸到終端設備上，最終連接到互聯網監控中心服務器上。通過監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，從而實現流量壓力監控。

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，按住院登記的順序將其分為對照組（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，差異無統計學意義（P＞0.05）。

3）遠程無線抄表系統。民用用戶安裝無線遠傳功能的燃氣表，采用ZigBee網絡技術將網絡終端節點燃氣表采集的數據與燃氣公司數據建立連接，抄讀的數據存入燃氣公司無線監控管理信息平臺中，有效減少抄表人員的工作量，提高工作效率。

4）遠程視頻監控系統。在城市燃氣儲備站、門站、主管道、調壓站等燃氣管網重點區域，安裝攝像探頭、報警器與語音對講裝置。當監控區域出現可疑情況，能夠及時報警通知監控中心，監控工作人員能夠通過語音對講裝置與現場工作人員實時溝通處置突發狀況。該監控系統能夠通過移動互聯網網絡地圖，對出現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場，處置問題［6－7］。

2 ZigBee組網方案設計

該監控系統選用CC2530芯片作為構建ZigBee網絡的硬件平臺，采用ZigBee協議作為通信協議。該通信網絡主要包括：終端節點、協調器、調度中心、GPRS模塊。

1）終端節點。終端節點是該系統的最底層，包括燃氣管網設備RFID標簽、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。終端節點和協調器之間通過ZigBee協議通信。

2）協調器。協調器是控制中心和終端節點連接的橋梁，它通過無線接收得到各個終端節點采集到的數據，其通信遵循ZigBee協議。

3）調度中心。調度中心主要由控制中心和協調器組成，其中控制中心主要實現數據處理和控制信息傳輸，控制中心、協調器以及通話和信息均通過串口通信。

3 系統硬件設計

3.1 主機設計方案

系統主機主要利用傳感器實現無線傳感器網絡普通節點的信息采集，當采集的數據超過之前已設定閥值就輸出控制信號，控制調壓站、門站閥門的開關，通過移動通信網絡和互聯網完成感知終端與傳感器之間的數據傳輸和接收。閥門的所有狀態均經過模數轉化后傳遞給STM32微處理器（MCU），STM32微處理器根據之前設定的閥值對獲得數據進行處理判斷，并發出控制信號。另一方面移動通信網絡將控制的結果反饋給終端管理，終端管理也可以通過無線網絡對STM32微處理器發出指令［10－11］。系統主機控制方案如圖1所示。

圖1 系統主機設計方案

該監控系統主機部分主要包含STM32處理器、電源模塊、Eeprom模塊、GPRS無線通信模塊、傳感器節點、人機顯示界面。傳感器節點能夠實現監控現場數據的采集，采集數據包括：調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據進行無線遠傳，人機顯示燃氣管網實時信息；電源模塊向市燃氣管網監控系統提供電源；Eeprom模塊對采集到的數據、故障等信息進行存儲，調度人員根據得到數據對開關閥、調節閥進行控制。采用物聯網技術將采集到的數據應用到城市燃氣輸配SCADA系統中，提高燃氣系統的自動化和信息化水平。城市燃氣監控系統主要由調度中心、網絡通信系統、調壓站和門站的數據監測及現場檢測儀表、傳感器、執行機構等部分組成，保證城市燃氣管網的中心實時監控和統一調度管理功能，保障城市燃氣安全可靠供應。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控現場環境實時狀況，方便用戶查看。同時還可通過按鍵操作實現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無線通信能夠將傳感器節點采集到的數據傳至互聯網，監控人員通過互聯網可以獲得實時監控數據，并可進行存儲。傳感器節點中具有無線通信藍牙裝置，可以實現與GPRS無線通信模塊之間的雙向通信。傳感器節點采用星型拓撲結構，當單個傳感器節點出現故障時不影響整個無線網絡，同時防止傳感器節點之間相互干擾，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 傳感器節點

傳感器節點安裝在監控現場，對現場燃氣設施進行監控，傳感器能夠對監控現場數據進行實時采集。傳感器將采集到數據經過模擬信號轉化為數字信號后，傳至數據處理單元進行處理放大，將數據傳輸到STM32微處理器中。再通過無線收發裝置將處理后數據發送至GPRS無線通信基站，而數據遠傳則通過GPRS模塊實現。傳感器采用MQ－2氣體傳感器，其采用電導率較低的二氧化錫，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。

根據城市燃氣管網傳感器節點布局，采用ZigBee無線通信協議，確保在ZigBee網絡有效覆蓋范圍內，部署多個以簇頭節點為中心的ZigBee網絡，構成了一個更大的以無線傳感器網絡匯聚節點為中心的無線局域網（WLAN），最后由無線傳感匯聚節點通過互聯網或GPRS等無線通信方式將城市燃氣管網被感知信息傳輸給遠程監控中心，以實現城市燃氣管網的實時監測與管理。

3.4 CC2530無線收發電路

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

3.5 電源模塊

監控系統電源模塊電路主要實現電源電壓等級轉換，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，為整個系統的正常工作提供基本保障。電源電路的設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換。對所輸入的電源進行了隔離處理，將輸入的＋5V轉換為＋3.3V。

4 軟件設計

在人機界面監測管理系統輸入相應的信息后，STM32處理器通過GPRS通信模塊接收信息，在人機界面可以設置城市燃氣管網閥門開關時間值。同時，通過STM32處理器檢測閥門開關狀態信息，并經過GPRS通信模塊傳輸到終端管理系統。比如，某節點的傳感器檢測到燃氣出現泄漏，會向監控人員發出聲光報警，同時將檢測到的信息無線發給STM32處理器并在人機界面顯示，也可以直接發至用戶手機終端上，監控人員可以通過人機界面迅速關斷燃氣閥門，搶險人員第一時間趕到現場搶修，防止燃氣泄漏事故的發生。

在系統初始化后，建立網絡接收傳感器節點入網請求，STM32處理器開始監控數據，判斷監測到的數據是否超過閥值，并將采集到數據通過無線網絡進行傳輸，STM32對監控采集到的數據進行處理后發送到上位機，工作人員對城市燃氣管網進行監控，通過輸出控制信號對城市燃氣管網閥門進行控制。系統主程序流程如圖2所示。

圖2 系統主程序流程示意

5 結束語

基于物聯網技術的城市燃氣監控系統克服了傳統有線監控方式的不足，通過監控現場傳感器節點的布置，使得系統監控覆蓋范圍更廣，具有較好的通用性和擴展性。該系統有效地自動開關城市燃氣門站、閥室閥門，對管道出氣壓力進行調節，在發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閉泄漏源附近的閥門，并通知搶險人員進行搶修，從而實現真正的實時檢測、監控。因此，通過物聯網技術，無論身在什么地方，都可以根據傳感器節點采集到的信息，對燃氣閥門開關操作，實現遠程控制系統。該系統適合各種城市燃氣信息化監控需求，可提高城市燃氣系統的自動化和信息化水平，保障了城市燃氣安全可靠供應。

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