一種基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)

崔聞

【摘 要】在城市管理中，基礎設施管理是非常重要的內(nèi)容。本文介紹了一種基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過更改系統(tǒng)的應用，可以對城市管網(wǎng)進行有效的管理。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；城市管網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

一、背景介紹

隨著近年來我國城市發(fā)展建設速度的加快，自來水、油、天然氣等地下管廊網(wǎng)絡越來越大。地下網(wǎng)絡的擴張使得維護這張城市的生命之網(wǎng)越來越難，如果維護工作做得不合格、不及時卻會引發(fā)各種各樣的安全事故，事故的發(fā)生意味著對國家造成了直接的經(jīng)濟損失。

在城市管網(wǎng)使用中經(jīng)常發(fā)生閥門井被掩埋、閥門井被移動或遺失、地下管廊中有漏液滲出以及地下管廊中有燃氣泄漏等危險情況。[1]

二、項目設計

為解決上述問題，本項目設計了一套管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，將所監(jiān)測的閥門井掩埋、丟失以及管網(wǎng)中漏液滲出、燃氣泄漏等危險情況通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸至運營商服務器或監(jiān)控人員的手機APP軟件上。

具體監(jiān)測設備中所包含的傳感器包括：力傳感器、液位傳感器和燃氣檢測傳感器。具體系統(tǒng)框圖如下：

監(jiān)測設備所包含各傳感器模塊及其介紹如下：

（一）壓力傳感器

壓力傳感器用于檢測閥門井是否被掩埋。力學傳感器種類繁多，主要包括壓阻式原理、電阻應變片原理、半導體應變片原理、諧振壓力原理以及電容壓力原理等。

金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象俗稱為電阻應變效應。我們以金屬絲應變電阻為例當金屬絲受外力作用時其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中很容易看出其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時其長度增加而截面積減少電阻值便會增大；當金屬絲受外力作用而壓縮時長度減小而截面增加電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化通常是測量電阻兩端的電壓，即可獲得應變金屬絲的應變情況，進而獲得壓力應變片上所受壓力。

壓力傳感器采用離子束濺射薄膜工藝制作的應變片敏感元件，有效地解決了粘貼式傳感器的零漂、蠕變等問題，產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、可靠性高、精度高、工作溫度范圍寬、功耗低、溫度誤差小等優(yōu)點。

在該項目中，在閥門井上安裝壓力傳感器，如若閥門井被掩埋，壓力傳感器會受到壓力而提供相應的輸出，通過NB-IOT傳輸方式，傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺，從而使監(jiān)測方得知閥門井被掩埋。

（二）液位傳感器

為保證測量精度，擬采用磁柵傳感器，磁柵傳感器按照磁柵的工作原理而設計。磁柵的工作原理主要是磁電轉(zhuǎn)換，磁柵尺為已錄制好磁波的磁性尺。磁柵尺上相鄰柵波的間隔距離稱為磁柵的柵距。在測量液位時，磁柵傳感器將液體深度轉(zhuǎn)換為磁柵的柵距數(shù)。磁柵上的柵距數(shù)越多，測量精確度越高。我單位可根據(jù)用戶對于液位的測量精度要求，靈活選擇磁柵上的柵距數(shù)目。

該磁柵傳感器采用TMR元件，TMR元件全稱磁電阻效應傳感器，其主要工作原理是磁性材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比廣泛應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）也可以用來代指TMR元件，與霍爾元件相比較，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更好的線性度，更低的功耗和更高的靈敏度，并且不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；與AMR元件相比較，其具有更好的溫度穩(wěn)定性，更寬的線性范圍和更高的靈敏度，并且不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)；與GMR元件相比較，其具有更好的溫度穩(wěn)定性，更寬的線性范圍，以及更低的功耗和更高的靈敏度。

磁柵液位傳感器量程受到水溫、水質(zhì)（鹽度、含沙量）和液體性質(zhì)的影響很小、測量動態(tài)范圍大，具有線性度高和誤差小的特點，特別適用于本項目中液位的精確測量。

（三）燃氣檢測傳感器

該傳感器用于檢測地下管網(wǎng)燃氣管道泄漏事件。可燃氣體主要由烷烴等有機氣體和某些無機氣體組成，其為石油化工等工業(yè)場合遇到最多的危險氣體。可燃氣體與氧氣混合并達到一定濃度時，一旦遇到具有一定溫度的明火即發(fā)生爆炸。可燃氣體遇明火發(fā)生爆炸的濃度稱為爆炸極限，必須有足夠的氣體或蒸汽存在時才可能發(fā)生爆炸，但過多的氣體又會使氧氣被取代而無法支持燃燒。因此，若想發(fā)生燃燒，則對氣體濃度的上限和下限都有所要求，這些限制被稱為爆炸下限（LEL：Lower Explosive Limit）和爆炸上限（UEL：Upper Explosive Limit）。只有在一定的濃度范圍，這種混合物才會發(fā)生爆炸。當可燃氣體濃度在LEL（可燃氣體濃度不足）至UEL之間（氧氣不足）才會發(fā)生爆炸。

該傳感器實際上是由惠斯通電橋組成的檢測單元。惠斯通電橋中的一個鉑金絲電橋上涂有催化燃燒介質(zhì)，無論遇到任何可燃氣體，涂有鉑金絲電橋的電阻都會由于溫度的變化而發(fā)生改變。這種電阻變化同可燃氣體的濃度成一定比例，通過數(shù)字電路測量并計算出可燃氣體的濃度，并發(fā)出報警信號。

該燃氣檢測傳感器具有穩(wěn)定性好、檢測精度高等優(yōu)點。在惡劣環(huán)境中，仍然具有良好的性能。尤其適用地下管廊等環(huán)境。[2]

三、詳細介紹

在本項目中，采用我單位自主研發(fā)的基于NB-IOT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

NB-IOT是這兩年火熱的名詞，和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)一樣在IT行業(yè)被熱捧。NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的簡寫，現(xiàn)在中國的主流運營商都在加緊部署NB-IOT網(wǎng)絡。

項目智能終端采用意法半導體的超低功耗stm32l051系列單片機做中央控制，將上述介紹的力傳感器、液位傳感器和燃氣檢測傳感器所采集到的信號通過NB-IoT網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)測端。

服務器端軟件登錄后的主界面即為監(jiān)控界面，監(jiān)控界面可以彈窗提醒閥門井的液位、燃氣及壓力告警信息。

四、結(jié)語

本次的項目建設，主要以建設物聯(lián)網(wǎng)平臺、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設為主，此部分建設為市政部門首次建設，因此以標準建設、平臺建設先行，在充分論證的基礎上，實現(xiàn)業(yè)務應用管理平臺的建設，并利用此平臺來服務于市政各個感知設備，采集并實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中、挖掘，為市政管理提供科學的依據(jù)。

參考文獻：

[1]凌勇.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市排水管線在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].山東大學，2013.

[2]李士武、劉旭、陳曉爽.物聯(lián)網(wǎng)和GIS的地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].科技視界，2020（34）：118-119.