基于NB-IoT的綜合管廊智能監控系統設計

丁 松，王昌盛，鄭 平

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

目前，城市地下綜合管廊建設的規模越來越大，且管廊內部環境錯綜復雜，各種工程管線集中在一起，其中的天然氣管線的維護尤為重要。如果發生事故，不僅影響城市生活正常進行，還會威脅到管廊巡檢工作人員的安全。為了避免管廊內天然氣管線的損壞與泄漏所帶來的危害，及時對綜合管廊內部整體環境情況進行實時監測，以確保達到實時、自動準確監測地下綜合管廊內的內部環境情況是至關重要的。因此，需要針對管廊內天然氣氣體濃度、環境溫濕度、振動信號等相關環境參數進行實時監控。當這些環境參數超過預警值時，及時報警并反饋給相關管理部門，聯動控制單元，并派巡檢人員及時維修。

現代城市地下通道綜合管廊內部管理狀態復雜，缺乏智能、有效、可靠、經濟的廊內環境監控的方法與手段。針對這一問題，本文結合新興無線通信技術窄帶物聯網（NB-IoT）的優點，構建綜合管廊內部實時智能管控監測管理系統，實現對綜合管廊內部各種環境參數的有效監測。通過模擬應用，驗證了本系統的有效可行，為開展城市地下管道綜合管廊的智能監控、管理及日常維護工作提供了一種有效的智能監測解決手段。

1 系統方案總體設計

城市地下綜合管廊的智能監控系統整體結構如圖1所示，整體系統由以下部分構成：針對綜合管廊環境的溫度、濕度、有害氣體和振動參數信息的采集處理部分，環境參數信息遠程傳輸部分，上位機監測管理PC端和移動端部分。

圖1 系統整體結構

2 系統硬件設計

綜合管廊環境監控系統硬件終端主要由電源供電模塊、環境參數信息采集傳感器模塊、STM32F103主控模塊、NB-IoT無線傳輸模塊四部分組成，分別負責系統硬件供電、信息采集、系統核心控制、無線傳輸通信等，如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 主控模塊

主控模塊選用STM32F103C8T6芯片，該芯片不僅具有超低頻、低功耗、低成本的特點，且芯片存儲空間容量大，外圍電路模塊豐富，采用高性能ARMCortex-M32位的內核，支持擴展多種傳感器模塊，其特性完全可以滿足地下綜合管廊的復雜多變環境。

2.2 傳感器模塊

本系統針對綜合管廊內環境進行監控，數據采集選用環境溫濕度傳感器、MQ-4傳感器、振動傳感器。

環境溫濕度監測選用的是DHT11數字低功耗傳感器，通過One-Wire單總線與STM32進行數字信號通信，溫濕度測量精度范圍分別為0～50 ℃、20%～90%，穩定抗干擾性強。有害氣體監測選用的是MQ-4傳感器，主要針對管廊內天然氣管泄漏產生的甲烷等有害氣體進行監測，反應迅速，能及時測量廊內有害氣體濃度，保證入廊巡檢人員的安全。地形變化會導致管廊沉降、振動或者晃動，導致內部設備可能存在安全隱患，對此選用SW-420常閉振動檢測傳感器，工作時電壓范圍為3.3～5 V，無振動狀態時開關閉合表示為低電平，振動狀態時表示為高電平，可以通過檢測輸出的高低電平來判別是否出現為振動或晃動。

2.3 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT技術主要構建于蜂窩通信網絡，具有低網絡成本、低速率功耗、深覆蓋的特點，是一種在全球較大范圍被廣泛應用的新興通信技術。

本系統選用由上海移遠通信公司推出的國內首款NB-IoT R13標準協議的BC95系列工程模塊，它是一款高性能、低功耗、穿透強、穩定的無線通信模塊，可與多種終端設備連接，支持多種網絡協議，尺寸小，供電電壓為3.3 V，休眠功耗為5 μA，工作功耗為6 mA。由此實現綜合管廊內部環境監測系統長時間、實時地與云平臺通信，保證數據信息的實時傳輸顯示。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要分為管廊內環境采集終端和STM32F103主控制兩部分，開發軟件采用MDK5，并采用C語言對系統進行編程。

3.1 系統主程序設計

系統啟動，完成GPIO口、USART串口以及ADC數模轉換等初始化；將終端設備入網，BC95通信模塊與云平臺對接，等待數據的傳輸；讀取溫濕度、天然氣濃度以及振動傳感器參數，發送參數至CDP服務器，判斷服務器是否有指令下發。若有，則控制繼電器動作，開啟各類執行器工作；若無，則延時60 s，完成數據的采集與上傳。系統主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

3.2 采集終端程序設計

環境參數信息采集終端由MQ-4傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器組成，將采集到的環境信息通過NB-IoT無線傳輸至上位機，實現對管廊的實時監測。

MQ-4傳感器首先檢測到空氣中天然氣的濃度值，STM32將采集到的信息進行A/D轉換，最后判斷天然氣濃度值是否大于參考值。如果超過參考值，則上傳報警，提醒相關巡檢人員進行處理；如果低于參考值，則上傳儲存，再返回重新采集數據。MQ-4傳感器程序設計流程如圖4所示。

圖4 氣體采集程序流程

振動傳感器在休眠狀態時，表示為低電平，振動開關狀態為關閉，同時綠色指示燈亮起，延遲一段時間完成數據上傳儲存，返回重新采集數據；當振動產生時，振動開關斷開，表示為高電平，同時綠色指示燈不亮，并上傳報警。振動傳感器程序設計流程如圖5所示。

圖5 振動信號采集程序流程

溫濕度傳感器發送檢測信號，開始采集數據，再將采集的溫濕度數據轉換成主控模塊可讀取的模擬值信號，并上傳儲存，最后再返回重新采集。溫濕度傳感器程序設計流程如圖6所示。

圖6 溫濕度采集程序流程

4 系統測試

在完成對系統的軟硬件設計后，搭建好監測平臺，連接好設備，并對其通電處理，在模擬環境下對系統進行采集測試來驗證該監測系統的可行性。實時變化曲線如圖7所示，上位機實時監控界面如圖8所示。正常環境下，環境參數保持不變，當改變周圍環境時，環境參數曲線發生跳躍變化；此時，上位機實時監控界面顯示的溫度為30 ℃，濕度為77%，氣體濃度為11%，無振動發生。

圖7 實時變化曲線

圖8 上位機實時監控界面

為了保證實驗的客觀性，再次驗證手機客戶端的實時監測效果。通過調節設置的報警閾值，改變振動環境。手機客戶端監測情況如圖9所示。管廊內溫濕度和天然氣濃度高于閾值，且振動信號由0變為1時，系統報警，LED指示燈亮起。

圖9 手機客戶端監測情況

5 結 語

為了避免因不可控因素導致綜合管廊內部環境變化而帶來的危害，設計實時有效的監控系統。系統中運用NB-IoT無線傳輸技術，彌補了有線傳輸的局限性。通過在管廊艙內布置高靈敏度傳感器，并通過上位機實時顯示，對管廊內部進行了實時、準確、快速的監控和管理，確保了管廊內部安全以及城市生活的正常運行。