城市環境下天然氣管道泄漏的監測系統

劉海磊

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年來，隨著我國能源結構不斷調整，天然氣的使用也越來越普及。然而，我國城市天然氣管道卻處在地下環境中，地下環境復雜且多變，而且管道也存在著壓力低、分支多等特點，這無疑加大了管道監測管理的難度。城市地下天然氣管道泄漏的原因有很多，歸結起來有以下三種狀況：管道腐蝕、地形塌陷和第三方施工作業破環。現如今，地下天然氣管道的泄漏監測是城市生活必須解決的難題之一。為解決這一問題，本文針對城市地下天然氣管道泄漏時的狀況，選取相應的傳感器進行監測，通過對采集到的數據進行合理的分析，選用窄帶物聯網來實現遠距離數據傳輸，完成地下監測信息的處理、數據的無線遠距離傳輸以及地面計算機集中控制和實時監測。

通過對天然氣管道的實時監測能夠及時發現天然氣的泄漏并精確定位發生泄漏的位置，從而確保了城市居民的人身安全和安定生活以及工業生產能合理有序地進行，大大減少了事故造成的財產損失和人員傷亡，這對改善我國城市地下天然氣管道的安全狀況具有一定的實際應用價值。

1 系統總體設計

本文設計的天然氣管道泄漏的監測系統具有信號采集、信號存儲、遠程傳輸、精準定位和平臺顯示的功能。其系統框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架結構

2 系統硬件設計

基于NB-IoT的天然氣管道泄漏監測系統主要由以下幾個部分組成：STM32主控模塊、電源模塊、聲光報警模塊、NB-IoT模塊和云平臺服務器。監測系統完成了地下采集數據的快速上傳，實現了網絡的遠程控制和管理。系統結構如圖2所示。

圖2 天然氣管道監測系統結構圖

2.1 傳感器模塊設計

針對我國天然氣管道內復雜多變的環境，系統采用了多種傳感器用以監測管道泄漏過程中的甲烷等氣體的濃度以及由于管道本身損壞造成的管道異常狀況。傳感器節點能夠實現監控現場數據的采集，采集的數據包括：天然氣管道壓力、泄漏濃度、溫濕度等。傳感器將采集到的數據通過A/D轉換后傳送至STM32微處理器中，最后通過NB-IoT技術進行遠程傳輸。系統采用的傳感器有MQ-4氣體濃度傳感器、溫濕度傳感器以及壓力傳感器等，傳感器的選擇無疑是城市地下天然氣管道監測系統的關鍵所在。

采集系統硬件實物如圖3所示。

圖3 采集系統硬件實物圖

2.2 主控模塊設計

主控制器作為數據采集終端中的核心部分，其作用相當于采集終端的核心。本設計最終選為STM32F103C8T6，所用單片機不僅計算能力強，還具有低能耗、低成本的特點。其工作頻率高達72 MHz，內置高達128 KB的閃存和20 KB的SRAM，并且還擁有一個獨立的電源專用引腳VBAT。主控MCU主要是對數據采集系統、NB-IoT模塊和聲光報警模塊進行控制，其通過GPS授時以保證每個傳感器之間都能同時工作。

2.3 通信模塊設計

網絡層的硬件設計是為了完成NB-IoT的無線遠距離傳輸。經過綜合考慮，通信模塊最終選擇了BC26模組，其不僅體積小，而且花費的成本較低，功耗也較少，信號傳輸的覆蓋范圍也很廣泛。NB-IoT模塊在整個系統中主要是負責傳感器監測信號的轉發，通過NB-IoT基站將所得數據傳至云平臺。NB-IoT運用于遠程通信中，不僅其信號的覆蓋范圍更加廣泛，網絡信號也相對穩定，還支持很多復雜的網絡協議，能夠為系統提供完善的服務。

2.4 聲光報警模塊設計

聲光報警模塊用來檢測濃度是否達到設置的臨界值，若達到，則說明發生了泄漏，單片機將控制蜂鳴器報警，同時LED亮。

3 軟件設計與系統測試

3.1 數據采集系統程序設計

數據采集模塊主要是通過濃度傳感器來實現，天然氣濃度采集程序流程如圖4所示。

圖4 氣體濃度采集程序流程

氣體濃度采集的具體步驟如下：

（1）設備初始化，傳感器監測數據，即天然氣濃度值。

（2）通過數模轉換將采集的天然氣濃度轉換，此時單片機可讀取該模擬信號。

（3）根據模擬信號計算出相應的濃度值，并進行相應數據的轉換與存儲。

3.2 MCU主程序設計

主程序設計主要是為了對濃度傳感器采集到的數據進行相應的監測。先判斷天然氣的濃度是否大于設定好的閾值，若濃度過高則系統會自動報警，之后檢查設備是否入網并將傳感器采集到的數據通過NB-IoT進行傳輸，信號會通過NB-IoT上傳至云平臺，提醒工作人員對問題進行處理。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

3.3 系統測試

首先針對系統的每個模塊進行測試，并在MDK4.50開發平臺上將程序代碼下載至每個開發電路板上，通過模擬實驗來進行城市環境下天然氣管道泄漏的監測與定位。當一切準備工作完成之后，天然氣管道上已安裝好的傳感器就會將數據上傳至監控平臺上，測試結果如圖6所示。

圖6 上位機接收的數據

4 結 語

本文針對城市環境下天然氣管道泄漏的問題，設計了合理有效的監測系統。通過NB-IoT相關技術進行數據的無線傳輸，彌補了有線傳輸的不足。通過在管道周圍布置相關傳感器，使系統的監測范圍更加廣泛，達到了對天然氣管道的實時監測和管理，確保了城市天然氣的安全供應。