基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管道內(nèi)檢測(cè)器定位通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝愷澤 XIE Kai-ze；耿浩 GENG Hao；叢鐸 CONG Duo；李琪 LI Qi；楊賀 YANG He

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)和科技的相互帶動(dòng)下，我國(guó)對(duì)于能源的需求與日俱增，管道作為石油、天然氣等能源的主要運(yùn)輸方式之一，其安全有效運(yùn)行是重中之重。管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的確保管道安全運(yùn)行的最有效手段，管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)以管道內(nèi)輸送介質(zhì)為行進(jìn)推動(dòng)力，在檢測(cè)器應(yīng)用過(guò)程中，為確保實(shí)時(shí)獲取管道內(nèi)檢測(cè)器位置和運(yùn)行狀態(tài)，必需對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位[1-2]。

目前最常用的管道內(nèi)檢測(cè)器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法是低頻電磁跟蹤定位方法[3]。電磁定位法主要利用放置在地面的定位盒進(jìn)行判別，即管道內(nèi)檢測(cè)業(yè)務(wù)開(kāi)展前1-2天放置定位盒并啟動(dòng)電源，當(dāng)檢測(cè)業(yè)務(wù)進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過(guò)定位盒下方時(shí)，定位盒將對(duì)檢測(cè)器本身的磁場(chǎng)信息進(jìn)行采集存儲(chǔ)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)束后回收定位盒，利用計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行離線處理，從而獲取管道內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過(guò)定位盒時(shí)的時(shí)間，以用于后續(xù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析。該法方法主要采用檢測(cè)前后分離的處理方式，無(wú)法實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)器的運(yùn)行狀態(tài)，事后分析的方法也使得接收信息且具有很低的可靠性，經(jīng)常事后發(fā)現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)，來(lái)不及彌補(bǔ)，無(wú)法真正做到實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)分析[4-6]。

針對(duì)目前管道內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位系統(tǒng)應(yīng)用的局限性，設(shè)計(jì)出一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在STM32控制器上運(yùn)行的，簡(jiǎn)單、高效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一管理的管道內(nèi)檢測(cè)器定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的模塊化構(gòu)成，展示并分析了各模塊的構(gòu)成原理和運(yùn)行機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)信息傳遞的有效性和實(shí)時(shí)性，為后期進(jìn)一步研究提供了可靠理論支撐。

1 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器定位通信原理

管道內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位通信系統(tǒng)主要根據(jù)低頻發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)低頻接收機(jī)下方時(shí)，接收機(jī)接收到發(fā)射信號(hào)時(shí)判斷檢測(cè)器位置和通過(guò)時(shí)間信息，利用通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟蹤定位人員、以及不同接收機(jī)之間的相互通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)器的實(shí)時(shí)跟蹤定位信息的有效、及時(shí)傳遞，如圖1所示為管道內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位原理圖。

圖1 管道內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位原理圖

當(dāng)接收機(jī)接收到低頻信號(hào)時(shí)，觸發(fā)定位通信系統(tǒng)工作，獲取當(dāng)前時(shí)間信息，并利用無(wú)線通信模塊將時(shí)間信息進(jìn)行傳遞。

1.1 定位通信系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)以STM32控制器為設(shè)計(jì)主體，以LORA通信技術(shù)為核心。系統(tǒng)利用外置的接收線圈接收檢測(cè)器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出的低頻電磁信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)的初步方大、濾波等技術(shù)調(diào)理之后，觸發(fā)主控芯片工作，通過(guò)AD采樣將接收到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)利用時(shí)鐘芯片讀取當(dāng)前時(shí)刻信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)通信模塊向制定的接收模塊發(fā)送時(shí)間信息；利用LCD屏幕進(jìn)行時(shí)間信息的顯示，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行檢測(cè)器位置信息的報(bào)告預(yù)警，系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 接收定位通信系統(tǒng)框圖

1.2 LORA通信技術(shù)原理

管道運(yùn)輸作為長(zhǎng)距離運(yùn)輸方式，空間跨度廣，多數(shù)情況下需穿越無(wú)人地區(qū)，目前檢測(cè)器的檢測(cè)管線長(zhǎng)度均為200-300公里，接收定位盒一般沿管線需間隔500-1000米放置。

現(xiàn)有通信技術(shù)中，有線通信由于工藝條件以及管道的長(zhǎng)距離應(yīng)用需求限制，無(wú)法有效利用有線進(jìn)行進(jìn)行通訊研究；無(wú)線通信技術(shù)中，常用的有Bluetooth、ZigBee、WiFi等傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)，適用范圍廣，基礎(chǔ)完善，但傳輸距離短，多在100米內(nèi)。而低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）相較于前者覆蓋范圍達(dá)幾公里，在成本、可拓展性、功耗、數(shù)據(jù)速率等方面都具有一定優(yōu)勢(shì)。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)包含Sigfox、NBIoT、LORA等多種成型技術(shù)[7-8]。Sigfox技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)市內(nèi)干擾環(huán)境下有效通信距離3-10km，農(nóng)村弱干擾環(huán)境下有效通訊距離30-50km，但數(shù)據(jù)傳輸速率底每秒不足1B，國(guó)內(nèi)尚未有效應(yīng)用。NB-IoT技術(shù)為華為與高通等公司合作提出，信號(hào)覆蓋區(qū)域廣，功耗低，單一基站設(shè)備支持率高達(dá)5萬(wàn)個(gè)，但成本過(guò)高，不適用于本項(xiàng)目。而LORA技術(shù)不僅遠(yuǎn)距離傳輸，最高達(dá)到15km，且功耗低，終端接受電流僅10mA，最低功耗3mA，電池壽命超過(guò)10年，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊成本低，適用于具備低功耗、遠(yuǎn)距離距離、可跟蹤定位等特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中[9]。

對(duì)比上述三種LPWAN技術(shù)，都具有遠(yuǎn)距離，低功耗的優(yōu)勢(shì)，Sigfox技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展較緩慢；NB-IoT需要在電信授權(quán)頻段工作，與運(yùn)營(yíng)商合作，成本高；LORA技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅速，而且工作在ISM免費(fèi)頻段，網(wǎng)關(guān)成本低，部署簡(jiǎn)單，有利于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，選用基于LORA技術(shù)的射頻收發(fā)芯片[2]，LPWAN無(wú)線通訊方式參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 無(wú)線通信方式參數(shù)對(duì)比表

LORA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于該技術(shù)的擴(kuò)頻芯片，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與集中器直接組網(wǎng)連接；當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離連接時(shí)，兩者間可直接進(jìn)行信息交互，有效減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。LORA采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略，最大網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)速率、輸出功率、帶寬、擴(kuò)頻因子等，在低功耗狀態(tài)下穩(wěn)定工作，電池壽命有效延長(zhǎng)。LORA技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，以有相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了不同通信模塊、獨(dú)立終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器之間的雙向操作性，響應(yīng)速度及處理時(shí)長(zhǎng)大大縮短。

2 系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計(jì)與分析

定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采樣單元、時(shí)間處理單元、對(duì)外通信單元、存儲(chǔ)讀取一體化單元和電源單元等六部分組成。

2.1 信號(hào)檢測(cè)單元

信號(hào)檢測(cè)單元主要由極低頻信號(hào)接收線圈和信號(hào)調(diào)理電路等組成，利用接收線圈檢測(cè)發(fā)射機(jī)發(fā)出的磁場(chǎng)信號(hào)，利用模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步處理，信號(hào)檢測(cè)檢測(cè)單元如圖3所示。

圖3 信號(hào)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)理論，接收線圈將接收到的極低頻磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為極低頻電壓信號(hào)，由于空間中存在諧波噪聲，空間噪聲被接收線圈接收后，疊加在有用信號(hào)中，會(huì)對(duì)極低頻信號(hào)產(chǎn)生干擾，因此，采用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)微弱極低頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，處理之后，提供給MCU電路進(jìn)行傳輸[10]。

2.2 數(shù)據(jù)采樣單元

主控MCU采用意法半導(dǎo)體公司STM32系列單片機(jī)，當(dāng)傳感器獲取磁場(chǎng)信號(hào)后，利用ADC采樣模塊對(duì)信號(hào)檢測(cè)單元給出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)中采用MCP3202A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集傳輸，該模塊具有10kHz有效時(shí)鐘頻率，轉(zhuǎn)換速率100ksps為，可將采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字電壓信號(hào)傳輸至主控MCU單元，供后續(xù)信息的處理和分析，信號(hào)采樣模塊及外圍電路連接如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元電路

2.3 時(shí)間處理單元

為了有效獲取檢測(cè)器通過(guò)定位盒下方的時(shí)間信息，設(shè)計(jì)中采用DS1302芯片進(jìn)行24小時(shí)制時(shí)間計(jì)數(shù)，該模塊采用雙電源供電方式、三線同步通信方式，保證了時(shí)間的精準(zhǔn)度；同時(shí)采用8位數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)方式保證其對(duì)時(shí)間點(diǎn)的獲取和處理能力，時(shí)間處理單元如圖5所示。

圖5 時(shí)間處理單元電路

2.4 LORA通信單元

系統(tǒng)中采用LORA通信模塊作為整個(gè)通信系統(tǒng)的核心單元，通信單元選用Semtech公司生產(chǎn)的SX1261芯片，SX1261芯片最大鏈路預(yù)算170dB，內(nèi)置TCXO晶振，抗干擾能力強(qiáng)，可編程比特率高達(dá)62.5kbps，理論電流小于6.5mA。系統(tǒng)選用民用開(kāi)放頻段433MHz作為通信工作頻段，SX1261芯片相應(yīng)管腳與主控制器的CLK接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。SX1261芯片與PE4259射頻開(kāi)關(guān)芯片連接，通過(guò)相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信收發(fā)控制，通信模塊電路如圖6所示。

圖6 LORA通信單元

依據(jù)電路原理，電感線圈會(huì)過(guò)濾掉高頻率的干擾頻率，而電容會(huì)過(guò)濾掉低頻率的干擾頻率。所以采用LC并聯(lián)濾波電路，過(guò)濾外界環(huán)境變化造成的雜波；工作頻段433MHz具備較強(qiáng)的抗干擾能力，保證通信通暢。

2.5 存儲(chǔ)讀取一體化模塊

在通過(guò)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)采集完數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換換轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)字。通過(guò)主芯片MCU后連接存儲(chǔ)器FM24C512并將數(shù)字信號(hào)傳入存儲(chǔ)器FM24C512內(nèi)，檢測(cè)完成的數(shù)據(jù)備份，以供后續(xù)檢查。再通過(guò)PA14，PA15接口與SP3232串口完成連接。SP3232串口再將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)JP1口與對(duì)外通信模塊中的LORA部分連接，以達(dá)到存儲(chǔ)讀取的目的并且工程結(jié)束后可拷貝、上傳數(shù)據(jù)，如圖7所示。電容C1，C5的作用是過(guò)濾掉一些低頻的雜波并且避免直流電過(guò)大損傷芯片。

圖7 存儲(chǔ)讀取單元

2.6 電源單元

作為系統(tǒng)供電核心，電源模塊以TPS54231芯片為核心，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，滿足各模塊供電需求，12V電源電壓經(jīng)由TPS54231芯片轉(zhuǎn)為5V參考高電平同時(shí)供電各芯片，繼而轉(zhuǎn)換為3.3V參考低電平，電源單元電路如圖8所示。

圖8 電源單元電路

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證信號(hào)傳輸?shù)挠行裕瑢?duì)設(shè)備的通信效果以及準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)信號(hào)的工作有效性進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試系統(tǒng)通信性能的有效性和有效傳輸距離，實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖9所示。

如圖9所示，在空曠的室外條件下，實(shí)驗(yàn)時(shí)，令定位盒1位置固定不動(dòng)，定位盒2逐漸移動(dòng)，使定位盒2距離定位盒1的距離分別為500米，600米，700米，800米，900米及1000米，測(cè)試通信系統(tǒng)的有效通信距離；當(dāng)定位盒2放置在指定位置后，令定位盒1發(fā)送信息，驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間以及不同距離下的數(shù)據(jù)傳輸效果。

圖9 發(fā)射線圈磁場(chǎng)分布試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，在野外空曠實(shí)驗(yàn)條件下，兩定位盒之間具有很好的通信性能，可有效傳送信息，且實(shí)驗(yàn)初步表明有效傳輸距離至少可達(dá)到實(shí)現(xiàn)1000米，雖然距離越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，但傳輸距離和響應(yīng)時(shí)間方面均具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足實(shí)際工程中管道內(nèi)檢測(cè)器實(shí)時(shí)通信的需求。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)論

提出了基于STM32單片機(jī)和Lora通信技術(shù)的管道內(nèi)檢測(cè)器實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。詳細(xì)闡述說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的管道內(nèi)檢測(cè)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)成及各模塊設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)想能的初步測(cè)試。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，當(dāng)距離為1000米時(shí)，仍能進(jìn)行可靠傳輸時(shí)間、編號(hào)等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)管道檢測(cè)智能化管理與運(yùn)行具有重要意義。