基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

路敬祎 王志橋 彭朝霞 錢穎

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：LH2020F005）資助的課題；海南省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：623MS071）資助的課題。

作者簡介：路敬祎（1977-），副教授，從事人工智能在油氣井地面工程中的應(yīng)用研究，ljywdm@126.com。

引用本文：路敬祎，王志橋，彭朝霞，等.基于NB？鄄IoT技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，2024，

51（2）：222-226.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402011

摘 要 為了對天然氣管道運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)測，在發(fā)生泄漏時能夠及時做出反應(yīng)，設(shè)計了基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用壓力變送器、DHT11溫濕度傳感器和GPS/北斗定位系統(tǒng)分別對管道的內(nèi)部壓力、設(shè)備周圍的溫濕度和經(jīng)緯度位置進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)通過STM32控制NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，最終通過云平臺對天然氣管道進(jìn)行實時監(jiān)測。實驗表明：該系統(tǒng)能夠?qū)μ烊粴夤艿赖臄?shù)據(jù)進(jìn)行實時上傳，能夠通過云平臺進(jìn)行天然氣管道狀態(tài)的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞 NB-IoT技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng) 云平臺 天然氣 管道泄漏監(jiān)測

中圖分類號 TP274?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號 1000-3932（2024）02-0222-05

全世界各國的化工石油行業(yè)都采用了一種經(jīng)濟(jì)而重要的傳輸形式——管道運(yùn)輸［1］。但由于氣候環(huán)境因素或者其他人為原因，影響了管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行，導(dǎo)致天然氣輸送管道泄漏事故時有發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)事故。因此天然氣輸送管道的安全保護(hù)、泄漏監(jiān)測成為不可忽視的問題。

在管道管理需要向更好的方向改變的時代，物聯(lián)網(wǎng)是最適應(yīng)的方法［2］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地提升了天然氣中游儲存和運(yùn)輸?shù)男剩?］。劉海磊通過STM32模塊完成了對采集數(shù)據(jù)的處理和存儲，最后通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）遠(yuǎn)程通信技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)到云平臺的傳輸，但未實現(xiàn)可視化云平臺監(jiān)控數(shù)據(jù)［4］。左磊等使用NB-IoT技術(shù)對天然氣管道及其附屬構(gòu)筑物傾角、周圍土壤環(huán)境穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，雖具有較高的環(huán)境監(jiān)控性能，但并未實現(xiàn)管道內(nèi)部壓力情況的實時監(jiān)測［5］。

把物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)應(yīng)用在天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以極大地提升系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確率，節(jié)省人力成本，實現(xiàn)各個信息資源更加緊密地聚合、輸送、發(fā)散。筆者結(jié)合“萬物互聯(lián)”的思想，設(shè)計了一款基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其成本較低又便于管理和控制，能夠及時準(zhǔn)確報告事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，將設(shè)計的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層主要由設(shè)備硬件、傳感器與監(jiān)測儀和感知對象構(gòu)成。設(shè)備硬件通過傳感器與監(jiān)測儀對管道的壓力、溫度、濕度和設(shè)備的位置信息進(jìn)行采集，然后經(jīng)過整合后將數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要由蜂窩網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議構(gòu)成。MCU主控模塊采用NB-loT物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議最終將管道數(shù)據(jù)上傳至云平臺層。平臺層主要由連接管理平臺、設(shè)備管理平臺和應(yīng)用使能平臺構(gòu)成。本系統(tǒng)主要基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行功能的實現(xiàn)。應(yīng)用層主要由實時監(jiān)測管理、智能調(diào)度、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存構(gòu)成，用戶可以使用電子設(shè)備終端通過云平臺對管道數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計分為MCU主控模塊、電源供電模塊、信號采集模塊和NB-IoT無線傳輸模塊，如圖2所示。

2.1 MCU主控模塊

MCU主控模塊主要由主控電路及相關(guān)外圍電路、RTC供電電路和OLED顯示屏接口電路構(gòu)成。主控芯片選用的是超低功耗系列的STM32L151RCT6作為信號處理單元，該芯片以Cortex-M3為內(nèi)核，具有高穩(wěn)定性、高運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力［5］。MCU主控模塊主要用于通過控制信號采集模塊對管道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和打包，然后通過控制NB-IoT無線傳輸模塊將天然氣管道數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

2.2 電源供電模塊

電源供電模塊主要由EMC電源防護(hù)電路和兩級穩(wěn)壓電路構(gòu)成。電源作為整個系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，保證電源供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行是整合系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵［6］。本設(shè)計中整個系統(tǒng)設(shè)備采用12/24 V電源供電，首先通過EMC電源防護(hù)電路能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)防雷擊與防靜電，保護(hù)主控電路及整個設(shè)備，然后通過第1級開關(guān)電源穩(wěn)壓電路將電壓從12 V降至5 V，再通過線性電源穩(wěn)壓電路將電壓從5 V降至3.3 V，最終為整個硬件設(shè)備供電，通過兩級穩(wěn)壓電路既降低了完全使用開關(guān)電源電路的功耗損失，又避免了線性穩(wěn)壓電源在壓差過大的情況下產(chǎn)生的過高溫度現(xiàn)象，使系統(tǒng)電源部分的安全運(yùn)行得到了保證。

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊主要由壓力變送器、RS-485通信電路、溫濕度傳感器電路和GPS/北斗定位器構(gòu)成。NB-IoT芯片BC20中集成了GPS/北斗定位系統(tǒng)。溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字傳感器，這是一款內(nèi)部集成了溫濕度采集和數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器，其采用的單線串行方式具有連接簡單、采集方便的特點。壓力變送器采用國產(chǎn)星儀CYYZ18型傳感器，其信號輸出為RS-485數(shù)字信號，量程范圍0～3.5 MPa，測試精度0.25%FS。為了接收壓力變送器信號設(shè)計了RS-485通信電路，電路采用了MAX3485EESA芯片將串口電平轉(zhuǎn)換成RS-485接口電平。

2.4 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT無線通信模塊主要由BC20芯片電路、串口電平轉(zhuǎn)換電路、SIM卡槽電路和天線接口電路構(gòu)成。本設(shè)計采用集成NB-IoT和GNSS雙系統(tǒng)的BC20無線通信模塊，該芯片不僅能夠使用NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，而且能夠用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）進(jìn)行設(shè)備的定位，因此RF_ANF為NB-IoT天線接口，GNSS為定位系統(tǒng)天線接口。由于BC20芯片的串口電壓為1.8 V，而STM32單片機(jī)的串口電壓為3.3 V，使用串口電平轉(zhuǎn)換電路使兩個串口電平相同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。由于NB-IoT模塊電路使用的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)，需要使用特定的數(shù)據(jù)卡，因此需要對SIM卡槽電路進(jìn)行設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件程序主要對STM32單片機(jī)進(jìn)行編程控制，程序運(yùn)行的步驟如下：

a. 系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘初始化、串口初始化、定時器初始化、OLED顯示屏初始化、DHT11溫濕度傳感器初始化、RS-485初始化、NB-IoT模塊復(fù)位上電初始化以及激活GPS/北斗定位功能。

b. 設(shè)備終端入網(wǎng)，由于NB-IoT沒有自動激活分組數(shù)據(jù)協(xié)議（PDP）的功能，因此需要主控芯片通過UART2發(fā)送AT命令激活PDP上下文，使設(shè)備終端登錄到PS域，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)流通。

c. 云平臺注冊，通過AT命令在OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行注冊。

d. 判斷設(shè)備是否激活網(wǎng)絡(luò)及注冊O(shè)neNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，若沒有則需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)激活和云平臺注冊，若已經(jīng)完成則進(jìn)行下一步。

e. 管道信號采集，包括主控芯片控制UART1通過Modbus-RTU通信協(xié)議獲取RS-485總線上的管道壓力數(shù)據(jù)，讀取設(shè)備周圍的溫濕度數(shù)據(jù)并獲取設(shè)備的經(jīng)緯度位置信息。

f. 數(shù)據(jù)上傳至云平臺，主控芯片將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON打包，并使用AT命令控制NB-IoT模組通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，重復(fù)步驟e、f，保持?jǐn)?shù)據(jù)的上傳。

4 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

根據(jù)第2章節(jié)進(jìn)行電路的印刷電路板（PCB）設(shè)計，硬件的PCB圖如圖3所示。通過工廠生產(chǎn)對電路板進(jìn)行焊接與調(diào)試，完成系統(tǒng)的下位機(jī)硬件設(shè)計，為上位機(jī)軟件提供了硬件基礎(chǔ)。

基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在東北石油大學(xué)天然氣管道實驗室建立，實驗平臺管道為不銹鋼材質(zhì)的DN 80管道，實驗室可以對天然氣管道的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬實驗。為了對本系統(tǒng)進(jìn)行功能檢驗，將壓力變送器安裝在管道上對管道內(nèi)部的壓力進(jìn)行監(jiān)測，與此同時利用設(shè)備帶有溫濕度傳感器和GPS/北斗定位的功能，對管道周圍的溫濕度情況和設(shè)備所在的經(jīng)緯位置信息進(jìn)行采集［2］，壓力變送器的實際管道安裝圖和設(shè)備接線圖如圖4所示。

本設(shè)計采用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務(wù)需求［7］。打開并登錄OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，使用平臺中增值服務(wù)的數(shù)據(jù)可視化View功能對數(shù)據(jù)可視化平臺進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計了系統(tǒng)上位機(jī)可視化大屏（圖5）。在監(jiān)測大屏的左上角顯示了管道監(jiān)測設(shè)備數(shù)量及設(shè)備上的傳感器數(shù)量；在監(jiān)測大屏的右上角顯示了當(dāng)?shù)啬壳暗臅r間與天氣狀況，并對系統(tǒng)公告進(jìn)行了顯示，工作人員可以針對系統(tǒng)發(fā)出公告；在監(jiān)測大屏的下方顯示了4臺設(shè)備的管道壓力、溫度、濕度實時數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)顯示了兩臺設(shè)備，最左邊一列為壓力數(shù)據(jù)展示，中間為溫度數(shù)據(jù)展示，最右邊一列為濕度數(shù)據(jù)展示，每個曲線圖中含有兩臺設(shè)備，曲線圖后面的實時數(shù)據(jù)表則選取了設(shè)備1和設(shè)備3的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；監(jiān)測大屏的中間為地圖，實時顯示4臺設(shè)備的實時位置。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計并實現(xiàn)了基于NB-IoT的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過信號采集模塊將溫度、濕度、壓力和定位數(shù)據(jù)收集到OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，并實現(xiàn)電子設(shè)備終端的可視化數(shù)據(jù)查看，以便工作人員高效、便捷地理解并掌握管道泄漏情況，便于及時處理。該設(shè)計為物聯(lián)網(wǎng)管道監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了一定的參考價值，可在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行大力推廣和應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 胡煒杰，熊碧波，韋君婷，等.油氣管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2022（5）：33-37.

［2］ DORAN K，ELECTRIC S.The internet of things：A necessity for pipeline management［J］.Pipes & Pipelines International，2017（33）：16-17.

［3］ 韓林元，姜慧春.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在天然氣管道行業(yè)的運(yùn)用研究［J］.化工管理，2020（1）：153-154.

［4］ 劉海磊.城市環(huán)境下天然氣管道泄漏的監(jiān)測系統(tǒng)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（11）：16-17；21.

［5］ 左磊，王震，鄭顯豐，等.基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道安全監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤氣與熱力，2023，43（1）：12-16.

［6］ 王輝.基于可穿戴式設(shè)備的大學(xué)生體質(zhì)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2023（1）：146-151.

［7］ 鞏博，馬濤，董潤峰，等.基于ZigBee技術(shù)的軍體館室內(nèi)溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)［J］.自動化與儀器儀表，2023（1）：152-156.

（收稿日期：2023-03-14，修回日期：2023-12-22）

Natural Gas Pipeline Leakage Monitoring System

Based on NB-IoT Technology

LU Jing-yi1a，1b，2， WANG Zhi-qiao1a，1b， PENG Zhao-xia1a，1b， QIAN Ying1a，1b

（1a. Sanya Offshore Oil & Gas Research Institute； 1b. School of Electrical and Information Engineering，

Northeast Petroleum University； 2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Networked and Intelligent Control ）

Abstract?? For purpose of monitoring natural gas pipelines at real time and responding to the leakage timely， a natural gas pipeline leakage monitoring system based on NB-IoT technology was designed， which has the pressure transmitter， DHT11 temperature and humidity sensor and the GPS/Beidou positioning system employed to collect the pipelines internal pressure， ambient temperature and humidity and the latitude and longitude position， respectively； then it has the data collected uploaded to the OneNET cloud platform via STM32 controlled-NB-IoT module so as to monitor the gas pipeline at real time through the cloud platform. Experiments show that， the system can upload the natural gas pipelines data at real time and monitor its status through the cloud platform.

Key words?? NB-IoT technology， IoT， cloud platform， natural gas， pipeline leakage monitoring