基于物聯網云平臺的管道內檢測器運行參數遠程傳輸系統

摘 要：針對在長距離輸油管道內檢測過程中內檢測器檢測數據傳輸困難、無法實時傳輸的問題，提出了一種基于實時信息傳輸的物聯網系統。基于5G通信技術，將信息傳輸至云平臺進行統一分析處理，通過歷史信息判斷檢測器運行是否正常；設置預警系統，檢測到數值異常時及時通過短信或微信報警提醒，避免事故發生。實驗結果表明，內檢測器運行過程中涉及的溫濕度、運行距離等信息均能穩定傳輸至云平臺，且可人工設置異常數值、預警機制等，管道內檢測器運行穩定性和人員監測便利性得到進一步提升。

關鍵詞：管道內檢測；蜂窩通信；STM32； 物聯網；5G；云平臺

中圖分類號：TP872 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.013

0 引 言

隨著工業4.0時代的到來，物聯網（IoT）技術日益成為推動工業現代化與智能化的核心力量。特別是在長輸油氣管道領域，物聯網技術的應用不僅極大地提升了管道管理的效率，而且為管道安全、穩定運行提供了有力保障。長輸油氣管道作為國家能源戰略的重要組成部分，其安全、高效的運行對于保障國家能源安全、促進經濟社會發展具有重要意義[1]。

在管道數據檢測過程中，會產生大量的數據，如溫度、濕度、檢測器運行速度、檢測器運行位置、通過點信息等。且由于管道線路過長，需要工作人員對所有的監測點位進行數據收集，人工成本是一項很大的支出。目前對管道內檢測器的監測，多采用放置定位盒的方法，工作人員需要花費幾天時間對定位盒進行回收和數據處理，無法及時獲得管道內檢測器的實時運行狀態。因此，研究一種可快速向云平臺傳輸數據、并可在后臺對數據進行實時處理的數據傳輸系統，對提高管道安全性、優化管道維護、降低管道運營成本具有重大意義。

1 總體設計

1.1 蜂窩通信技術

蜂窩網絡是一種基于無線通信的架構，被廣泛應用于移動通信系統，包括2G、3G、4G（LTE）和5G等標準。蜂窩技術在通信中有著明顯的優勢，如：覆蓋范圍廣，能夠滿足長距離傳輸的需求；數據傳輸速度快，能夠快速傳輸大量檢測數據；可靠性和穩定性較高，能夠保證數據在傳輸過程中的完整性和安全性；易于部署和維護，降低了項目的實施難度和成本[2]。

蜂窩通信將整個通信區域劃分為若干六邊形或六角形區域，每個區域均由一個基站控制。這種六邊形的劃分能夠最大程度減少覆蓋區域之間的重疊，以確保信號覆蓋范圍的連續性和一致性。由于通信頻段是有限的資源，為最大限度提高頻譜利用率，各區域采用了頻率復用技術，即將可用的頻率資源分配給不同的區域，使相鄰區域使用不同的頻率，以避免頻譜干擾和信號沖突。只要同頻區域之間的距離大于同頻復用距離，則各單元無線區群可以使用相同的頻率組，實現頻率復用。應滿足式（1）：

式中：Dg表示同頻無線區域中心距離；r表示無線區域半徑（正六邊形）；Dc表示同頻復用距離。需注意，N一般選擇較小的值，以提高頻率復用率，進而節約資源[3]。

相鄰區域之間中心距離的計算見式（2）：

相鄰同頻道區域之間的距離見式（3）：

蜂窩通信區域基站距離計算示意如圖1所示。

1.2 硬件設計整體流程

由于本項目涉及長距離信息傳輸，通信距離需達到千米級別，因此傳統的如Bluetooth、WiFi、LoRa等通信距離在5 m到30 km的通信方式便不再適用[4]。研究選擇蜂窩通信方式，基于最新的CAT-5通信協議，可實現同時無損傳輸大容量數據[5-6]。圖2為系統總體設計流程，系統運行后完成初始化操作，并將現場管道內檢測器運行參數實時傳輸至云平臺，同時預警系統開啟[7-8]。

2 系統測試結果

系統硬件部分連接如圖3所示，具體組成為：5G天線，用來傳輸和接收管道內檢測器數據；7S1-5G蜂窩模塊，上位機檢測到的信息通過串口發送至7S1模塊，并進行遠程傳輸；主控芯片STM32F103ZET6為最小系統核心板；DHT11溫濕度測量模塊，可對管道外部環境進行實時監測[9]；HC-SRF05超聲波測距模塊[10]，用以確定外部監測器放置位置（備選傳感器）。

當STM32最小系統上電，各模塊初始化完成后，溫濕度傳感器和超聲波測距模塊測得的數值會直接在網頁上顯示；數據每分鐘更新一次；可通過主動采集等操作在微信小程序以及網頁上實時獲取數據；當環境周圍溫度、濕度升高時，警報系統開啟，網頁自動報警，同時手機收到短信，提醒用戶及時處理異常，當檢測到數值恢復正常后，警報自動解除，同時發送短信，提醒用戶模塊已恢復正常。

如圖4所示，當環境溫濕度改變，超過設置閾值時，手機收到報警短信。

如圖5所示，用戶可以通過手機微信小程序查看實時數據，當數據出現異常時，及時對管道進行維護。

圖6為網頁客戶端，可實時查看系統當前定位、管道工作環境溫濕度等參數。當濕度為28%RH，環境溫度為27 ℃，超聲波距離為0 cm時，未超過系統設置閾值，系統正常工作。而當環境溫濕度改變，或超聲波測距超過閾值時，客戶端自動報警提示，如圖7所示。采集的數據可保存30天，以供用戶隨時查詢。網頁客戶端可根據采集的歷史數據繪制曲線圖，如圖8所示。

3 結 語

本文提出并設計了一種基于管道內檢測器數據傳輸的物聯網系統，實現了如下目的：

（1）通過傳感器模擬管道內檢測器的外部運行參數（如：溫度、濕度等）。

（2）提出了一種使用CAT1-5G與Modbus協議相結合的數據傳輸系統，既可以實現數據的超遠距離傳輸，也可以將數據傳輸到互聯網對數據進行分析。

（3）設計了一種基于HTML的客戶端搭建方法，搭建的客戶端可以對服務器的數據進行訂閱，并顯示在網頁上。同時基于JavaScript語言搭建微信小程序，用戶可隨時查看實時數據和歷史數據，實現了方便快捷的數據分析。

在實際應用場景中，本研究解決了如下問題：

（1）安全問題和設備互通問題。本次物聯網項目采用Modbus RTU協議，實現了技術規范一致，設備之間互相兼容，設備互聯互通。

（2）數據管理與分析問題。上位機采集的數據及時上傳到云平臺，云平臺可將數據保存30天，同時客戶端可根據歷史數據繪制曲線圖。不同傳感器采集的不同數據使用不同顏色的曲線繪制，將數據進行模塊化處理，方便用戶及時查看并報警，及時對管道進行維護。

注：本文通訊作者為竇杰。

參考文獻

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[10]葉沁州，熊志金.基于STM32的超聲波斷軌檢測系統設計[J].機電工程技術，2024，53（1）：248-252.

作者簡介：侯松志（2003—），就讀于沈陽工業大學測控技術與儀器專業。

竇 杰（1999—），碩士，主要從事管道無損檢測相關理論研究。

收稿日期：2024-04-18 修回日期：2024-05-24

基金項目：遼寧省自然科學基金聯合基金（面上資助計劃項目）（2023-MSLH-261）；遼寧省教育廳高等學校基本科研項目（面上項目）（LJKMZ20220477）