基于LoRa與NB-IoT的城市地下燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究

余俊峰 劉奔 程鑫

摘 要：針對管道泄漏問題，文章以LoRa與NB-IoT相結合的通信技術為基礎，設計了城市地下燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將MQ-5傳感器作為信號采集器，控制芯片選用STM32F103C8T6，通過LoRa和NB-IoT進行數(shù)據(jù)傳輸，最后通過上位機軟件進行集中管理。測試結果表明，該系統(tǒng)耗能低、監(jiān)測范圍廣，可有效縮短搶修時間，為安全、高效的城市地下燃氣管道監(jiān)測提供了可行方法。

關鍵詞：燃氣管道;燃氣泄漏;LoRa;NB-IoT

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

地下燃氣管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運行狀況信息的采集與監(jiān)控是燃氣管道管理的重要內(nèi)容[1-2]。由于 TD-LTE 4G技術具有大容量、高帶寬、安全可靠等優(yōu)勢，因此TD-LTE無線專網(wǎng)在數(shù)字化地下燃氣管道無線傳輸方面應用最多[3-4]。但是某些地下燃氣管道如城市房屋較密集地區(qū)，管道所處環(huán)境復雜，信號遮擋嚴重，無線網(wǎng)絡覆蓋差，數(shù)據(jù)采集傳輸存在困難，因此需要繞射能力強、具備抗干擾能力的無線技術來實現(xiàn)這些復雜場景下的無線數(shù)據(jù)傳輸。地下燃氣管道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不大、傳輸間隔長，數(shù)據(jù)速率要求低。LoRa非常適合此類場合，雖然LoRa的傳輸距離可達幾千米，但想要覆蓋整個城市的地下管道還存在一定的局限性。NB-IoT技術覆蓋范圍更大卻需要經(jīng)過運營商的蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)傳輸，后期維護成本較大。本文將LoRa與NB-IoT相結合[5-6]，針對現(xiàn)有單一通信方式所存在的問題提出優(yōu)化解決方案，實現(xiàn)可靠、安全、先進、高效的城市地下燃氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，既保證了數(shù)據(jù)的傳輸范圍，同時也降低了成本。

1 系統(tǒng)總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分以STM32作為主控芯片，傳感器選用煙霧傳感器MQ-5[7]。采用LoRa和NB-IoT技術進行數(shù)據(jù)傳輸。軟件部分采用C語言在MDK5和Visual環(huán)境下編寫主控芯片和上位機程序。

圖1所示為本文設計方案的總體結構圖。系統(tǒng)主要包括監(jiān)測終端，云端數(shù)據(jù)服務器，LoRa和NB-IoT星型網(wǎng)狀結構，信號采集終端4個部分。其中傳感器是信息傳輸?shù)钠瘘c，煙霧傳感器首先檢測空氣中的瓦斯?jié)舛龋賹z測到的信息轉化為電壓輸出，由于輸出的電壓是一個模擬量，其輸出端口連接到STM32片內(nèi)1號A/D轉換器的通道1，經(jīng)由STM32將電壓信號轉化為數(shù)字信號，這時內(nèi)部的算法會判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯瑯耍賹?shù)據(jù)通過串口1傳輸給LoRa模塊。通過LoRaWAN傳輸?shù)交荆就ㄟ^NB-IoT將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣掌鳎ㄟ^地面的上位機處理數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

本文系統(tǒng)的MCU芯片STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，具有64 kB的程序存儲容量，20 kB的RAM容量，完全可以滿足煙霧傳感器的需要。

LoRa模塊選用E32-TTL-100，該模塊是一款基于SX1278射頻芯片的無線串口模塊（USART），其功耗低，抗擾特性強[8-9]，數(shù)據(jù)傳輸更可靠，并且支持測距和定位。綜合SX1278射頻芯片的諸多優(yōu)點，將其選作本文設計的LoRa模塊。

圖2所示為檢測終端的硬件結構圖。煙霧傳感器檢測到空氣中的瓦斯?jié)舛群髮⑵鋫鹘o與之相連的STM32的A/D1端口，由STM32片內(nèi)的A/D轉換器將其轉換成數(shù)字信號，再傳給串口USART1，通過與串口相連的LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)出，采用3.3 V電源供電。

圖3所示為信號中繼模塊硬件框圖。LoRa和NB-IoT分別接在串口1和串口2，LoRa接到監(jiān)測終端發(fā)出的信號后從串口1將其傳入STM32，由STM32將信號轉為AT指令，最后經(jīng)串口2交給NB-IoT并發(fā)送至云端。模塊采用3.3 V電源供電。

NB-IoT模塊選用BC95，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊[10]。NB-IoT部署于運行商通信頻段，信號穿透能力更強，覆蓋范圍更廣，網(wǎng)絡質(zhì)量更穩(wěn)定，能夠提供完善的室內(nèi)信號覆蓋服務。

3 軟件設計

軟件部分分為監(jiān)測終端和信號中繼模塊兩部分，利用軟件MDK5對控制芯片STM32進行編程。

3.1 監(jiān)測終端程序設計

監(jiān)測終端模塊是系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器監(jiān)測模塊采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊以射頻傳輸方式與NB-IoT通信。煙霧傳感器首先感測空氣中的瓦斯?jié)舛龋髮⒉杉降臄?shù)據(jù)傳給STM32控制芯片處理，這時STM32會將接收到的信號先進行A/D轉換，然后通過串口交由LoRa發(fā)送出去。監(jiān)測終端程序流程如圖4所示。

3.2 信號中繼模塊程序設計

信號中繼模塊由NB-IoT，LoRa以及STM32控制芯片組成，可以使信號傳輸更遠，覆蓋范圍更廣。信號中繼模塊的程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試與分析

首先針對LoRa進行測試。選擇在湖邊的辦公樓放置一個監(jiān)測終端，同時使LoRa信號接收端遠離辦公樓，觀察接收到的信號質(zhì)量。這時可以發(fā)現(xiàn)向房屋較多地區(qū)移動的兩個LoRa信號接收端的有效接收距離分別為1.9 km和2.0 km，而穿過空曠湖面的LoRa信號接收端可以接收到2.2 km以外的信號。LoRa傳輸距離示意如圖6所示，實測數(shù)據(jù)見表1所列。

現(xiàn)將節(jié)點分部部署，然后人工模擬燃氣泄漏時的情形，這時就可以從SKYATE物聯(lián)網(wǎng)云平臺觀察到燃氣管道的狀態(tài)。SKYATE云平臺具有全中文顯示、界面友好、易于操作的人機界面，主菜單界面包含各個子界面的按鈕，如圖7所示。操作人員可以根據(jù)對系統(tǒng)監(jiān)測、維護的實際需要進入各個界面進行實際操作，并對其中一些關鍵參數(shù)進行修改。從安全層面考慮，SKYATE云平臺采用分級授權，如果操作人員沒有達到級別，系統(tǒng)就不會執(zhí)行該操作員的命令。根據(jù)模擬燃氣管道泄漏情況得到的實測數(shù)據(jù)見表2所列。

5 結 語

本文針對管道泄漏問題，以LoRa與NB-IoT相結合的通信技術為理論基礎，設計了一種全新的智能城市地下燃氣泄漏監(jiān)測方案。經(jīng)過實驗測試，該監(jiān)控系統(tǒng)可以較好地監(jiān)測燃氣管道泄漏的問題，并在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸過程的節(jié)能性和高效性，具有一定的市場價值和廣闊的社會應用前景。

參 考 文 獻

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