基于NB-IoT的透氣井監測預警系統研究

張云千 魏青峰

上海市城市排水有限公司管線管理分公司 上海 200000

引言

目前，B公司主要經營上海四大干線、寶山靜安路等六區的部分蘇建污水管網和上海6個城市排水系統。由于沿途的污水輸送泵站經常在進行非正常工作時出現水錘、浪涌等情況導致氣體的加劇而產生，因此通常采用了在污水管道上安裝透氣井的方法對污水中氣體進行排放，以避免氣體對管道及其他附屬設備的直接破壞[1]。同時由于污染管道的漂浮物（如垃圾、上浮的淤泥等）在管內水位高于頂板時聚集于透氣井中，經過長時間的一系列物理化學作用，透氣井內會產生大量惡臭氣體，給城市安全帶來危害。

隨著城市人民生活水平的持續向好，對排水管網管理安全意識的日益增強以及對環境良性循環需求的不斷增長，相關部門對透氣井氣體的管理有了進一步的研究。雖然各地在透氣井檢查上投入較大費用，積累了大量資料，但相關數據的管理未引起足夠重視。對于突發性的惡臭事件，目前的檢測方法主要存在兩方面問題，一方面是對于惡臭事件的處理缺乏時效性，另一方面是很難對惡臭污染物進行溯源。現階段對于透氣井定期逐個人工檢查工作量巨大，成本和代價十分高昂。而且郊外引電、引水困難，為檢修和為維護工作帶來困難。截至目前，由排水公司管理的特大型污水管道長度約200km，已建四大干線透氣井約190座，管理養護單位對透氣井維護工作量極大，這對透氣井異味問題實施“及時監測、實時預警、精確溯源、有效管理”有一定的影響[2]。因此，建立一個基于NB-IoT的透氣井監測預警系統，對于保障透氣井排氣、補氣功能，確保污水輸送管線運行安全甚為必要。

1 NB-IoT技術簡介

物聯網是在網絡基礎上擴充和拓展的一個網絡，利用某種感應器，根據預先規定的內容把一切信息連接起來，完成定位、追蹤、辨識和控制等工作。采用蜂窩的NB-IoT系統僅僅只消耗了180kHz的寬帶，因此可以直接安裝在GSM網絡、UMTS網絡或LTE網上，極大程度上減少了建設成本。NB-IoT基本特點如下[3]。

1.1 廣覆蓋

NB-IoT是憑借運營商的蜂窩系統網絡，在相同頻率下，NB-IoT將比當前GSM系統網絡增加20dB的增益，覆蓋范圍也增加了10倍，同時期望可以覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等地面通信系統網絡無法達到的區域。

1.2 大連接

在物聯網應用中，直接利用現有的蜂窩網絡容易造成網絡負荷過高，NB-IoT在現有的蜂窩網絡上進行優化，使200kHz的頻率可以提供10萬個連接，具有海量設備連接能力。

1.3 低功耗

綜合eDRX與PSM的省電技術、省電模式特點，NB-IoT成功地把功耗降低了，把電池使用壽命延長了，因此，在某種特定的工況下，5號電池不充電情況下既可使得NB-IoT工作達到10年之久。

1.4 低成本

就成本管理角度而言，絕大多數的企業心理期望接連模塊和芯片價格降價。隨著物聯網全國范圍部署，單個模組價格因物聯網網絡大規模部署而降至較低水平，因此，終端設備大量接入實現了低成本時代。

2 電子鼻惡臭在線監測系統簡介

電子鼻惡臭在線監測系統由主機、數據傳輸儀、氣象五參數儀、保護箱及數據處理中心等部分構成；內置3個電化學傳感器、1個光離子傳感器（413s）及4個采用微電子機械芯片校準技術的金屬氧化物傳感器；監測指標為無量綱臭氣濃度值、有機揮發物總量（413s）、氨氣（NH3），硫化氫（H2S），甲硫醇（CH4S），也可以根據需求進行電化學類型更換[4]。電子鼻惡臭在線監測系統監測原理如下：

（1）監測儀由不同種類的傳感器混合排列而成，傳感器主要類型至少有3個方面共計8類，分別為4類微機電金屬氧化物傳感器、1類PID光離子檢測器及3類電化學傳感器。

（2）氣敏半導體金屬氧化物傳感器須是獨特的MEMSMOS微機電系統氣敏半導體金屬氧化物技術，提高氣體采集的靈敏度及信號，從而提高檢測限及監測精度，艙體機構體積不超過2ml。

（3）4類MEMS-MOS微機電系統氣敏半導體金屬氧化物可以同時響應同時工作。

（4）每類傳感器可獨立插拔，可獨立校準與更換，傳感器艙體采用不銹鋼無腐蝕材質技術。

（5）具有樣品進樣全自動控制、過濾零氣、傳感器自動清洗、處理和分析數據信息、數據信息傳輸、現場查看數據以及數據通過無線發送至后臺監控平臺等全過程功能。

3 系統架構

本研究通過利用定制惡臭在線監測系統及其配套的物聯網數據平臺，實現透氣井的實時監測及分析，包括評估現場傳感器是否能長期使用于透氣井的工況環境、數據采集傳輸方式、云平臺數據中心及終端可視化界面設計等[5]。通過直接固定安放在現場，抓關鍵時間段有選擇性地進行高效監控，并在后臺可以對數據進行分析。該系統具有NB-IoT移動物聯網接入，可實時進行遠程監測，具備環境氣體在線監測功能，通過無量綱臭氣濃度值、硫化氫、氨氣、甲硫醇、TVOC實現對網絡環境信息的采集，通過移動物聯網傳輸到云平臺，通過大數據中臺進行數據化可視化分析及管理。

4 氣體檢測方案

利用符合標準的固定值和平均濃度動態值的多種評價方法，將其集成于本系統，用于透氣井惡臭污染程度評估、排放超標統計，同時本系統具備排除報警干擾、避免誤報警功能、高濃度預警功能等。在監控范圍內能實現惡臭氣體全方位監控，并實時采集惡臭氣、H?S/NH3、VOC等濃度數據和氣象指數數據[6]。此外，本系統還可以查詢歷史任何時間段內濃度數據信息，并且系統參數一旦設置后，當停電斷開電源時，本系統具備自動保存數據信息，當接入電源，自動進入該工況采集工作狀態，在透氣井氣體超標后，本系統將發出預警信號并進入采樣取樣工作流程中，樣品取樣后將在實驗室根據其特征因子進行定性辨識或者人工嗅辨。

5 研究方法及步驟

5.1 研究方法

本文研究主要采用實驗法，基于NB-IoT透氣井監測預警系統通過典型環境搭建硬件，結合軟件計算機氣體識別神經算法（深度學習語義分割技術）監測透氣井內的有毒有害氣體，計算數據，得到研究結果。基于此思想，通過在線監測設備、氣象五參數監測、智能儀表、物聯網平臺聯合工作實現井下數據采集互聯，并利用電子鼻監測設備、窄帶IOT定時將透氣井內氣體數據保存至網絡服務器中，監測預警系統軟件實施監測，根據軟件預設閾值要求，觸發報警動作。

5.2 研究步驟

本研究主要分為準備階段、實施階段、總結階段三個階段。準備階段為氣體識別神經算法前期準備，開發監測預警系統軟件，定時采集不同條件、水位及各種氣體組合下的照片，制作可用于訓練的數據集；實施階段為氣體識別神經算法的實現、氣體檢測軟件的開發、輸出控制的實現。氣體識別神經算法分為模型設計、神經網絡選擇、模型訓練、推理驗證與模型調整[7]。氣體檢測軟件的開發分為界面開發、模型調用加速優化、輸出控制開發。輸出控制的實現分為輸出信號實現與輸入信號的實現；總結階段為氣體檢測軟件數據復核、功能反饋、運行管理。數據復核主要為檢測到的有毒有害氣體復核、定時透氣井氣體采集率的復核。功能反饋包括甲烷、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳的采集與存儲，檢測軟件可視化功能的正常運行，操作按鈕的正常運行，運算控制器的正常輸出。

6 系統構建

本系統硬件、終端設計要兼顧低功耗特點，系統的終端設備不僅要放置于井蓋內側，而且也要適應于井內的惡劣環境；鑒于城市透氣井的密封性結構，造成終端部分的硬件不易拆換，在選取終端部分的芯片時要格外注意其選型，結合實際情況，本系統終端的硬件結構框架圖如圖1所示。

圖1 系統終端硬件電路設計結構框架圖

主控模塊是本系統最重要的關鍵部分，其組成主要包括MCU（微控制單元）芯片的外圍電路、與其他外設模塊連接的通信設計。鑒于低成本和低功耗的設計要求，本系統選取STM32L型號的系列單片機作為主控芯片，選取W25Q128FVSIG作為本系統的存儲芯片。由于客戶端監控網頁的設計屬于物聯網的應用層，其主要接收傳輸層數據信息，并對數據信息進行處理、計算和知識挖掘，從而客戶或管理人員便可以直觀地看到被測對象的當下狀態，實現對整個系統的監控、管理和科學決策。

7 系統應用

鑒于談家橋透氣井位于合流一期干線，代表性強，同時其下游緊鄰彭越浦泵站，水泵啟停與測量到的臭氣濃度數值關聯性強，便于后期分析，且談家橋倉庫施工方便，水電取用便捷，經深入分析并結合實際情況，選取談家橋透氣井作為本文研究對象，采集談家橋透氣井數據，并通過本系統進行數據處理、分析，其基于NB-IoT的透氣井監測預警系統登入界面和應用界面。

8 結論及建議

本系統通過加裝電子鼻設備，并基于NB-IoT物聯網、大數據技術和云計算平臺，實現了談家橋透氣井惡臭污染排放在線監測、預警和追蹤溯源功能，為下一步透氣井惡臭污染排放管理研究提供了一定的經驗和基礎，但是通過本系統在談家橋透氣井應用中發現，電子鼻將設置在化學濾料之后，符合標準的可選位置比較多，而單一點位的透氣井監測預警系統功能，其透氣井內環境惡劣，電子鼻極容易損壞，因此本研究暫未在透氣井內設置，待后期功能逐步完善時另行考慮。