城市环境下天然气管道泄漏的监测系统

刘海磊

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年来，随着我国能源结构不断调整，天然气的使用也越来越普及。然而，我国城市天然气管道却处在地下环境中，地下环境复杂且多变，而且管道也存在着压力低、分支多等特点，这无疑加大了管道监测管理的难度。城市地下天然气管道泄漏的原因有很多，归结起来有以下三种状况：管道腐蚀、地形塌陷和第三方施工作业破环。现如今，地下天然气管道的泄漏监测是城市生活必须解决的难题之一。为解决这一问题，本文针对城市地下天然气管道泄漏时的状况，选取相应的传感器进行监测，通过对采集到的数据进行合理的分析，选用窄带物联网来实现远距离数据传输，完成地下监测信息的处理、数据的无线远距离传输以及地面计算机集中控制和实时监测。

通过对天然气管道的实时监测能够及时发现天然气的泄漏并精确定位发生泄漏的位置，从而确保了城市居民的人身安全和安定生活以及工业生产能合理有序地进行，大大减少了事故造成的财产损失和人员伤亡，这对改善我国城市地下天然气管道的安全状况具有一定的实际应用价值。

1 系统总体设计

本文设计的天然气管道泄漏的监测系统具有信号采集、信号存储、远程传输、精准定位和平台显示的功能。其系统框架如图1所示。

图1 系统整体框架结构

2 系统硬件设计

基于NB-IoT的天然气管道泄漏监测系统主要由以下几个部分组成：STM32主控模块、电源模块、声光报警模块、NB-IoT模块和云平台服务器。监测系统完成了地下采集数据的快速上传，实现了网络的远程控制和管理。系统结构如图2所示。

图2 天然气管道监测系统结构图

2.1 传感器模块设计

针对我国天然气管道内复杂多变的环境，系统采用了多种传感器用以监测管道泄漏过程中的甲烷等气体的浓度以及由于管道本身损坏造成的管道异常状况。传感器节点能够实现监控现场数据的采集，采集的数据包括：天然气管道压力、泄漏浓度、温湿度等。传感器将采集到的数据通过A/D转换后传送至STM32微处理器中，最后通过NB-IoT技术进行远程传输。系统采用的传感器有MQ-4气体浓度传感器、温湿度传感器以及压力传感器等，传感器的选择无疑是城市地下天然气管道监测系统的关键所在。

采集系统硬件实物如图3所示。

图3 采集系统硬件实物图

2.2 主控模块设计

主控制器作为数据采集终端中的核心部分，其作用相当于采集终端的核心。本设计最终选为STM32F103C8T6，所用单片机不仅计算能力强，还具有低能耗、低成本的特点。其工作频率高达72 MHz，内置高达128 KB的闪存和20 KB的SRAM，并且还拥有一个独立的电源专用引脚VBAT。主控MCU主要是对数据采集系统、NB-IoT模块和声光报警模块进行控制，其通过GPS授时以保证每个传感器之间都能同时工作。

2.3 通信模块设计

网络层的硬件设计是为了完成NB-IoT的无线远距离传输。经过综合考虑，通信模块最终选择了BC26模组，其不仅体积小，而且花费的成本较低，功耗也较少，信号传输的覆盖范围也很广泛。NB-IoT模块在整个系统中主要是负责传感器监测信号的转发，通过NB-IoT基站将所得数据传至云平台。NB-IoT运用于远程通信中，不仅其信号的覆盖范围更加广泛，网络信号也相对稳定，还支持很多复杂的网络协议，能够为系统提供完善的服务。

2.4 声光报警模块设计

声光报警模块用来检测浓度是否达到设置的临界值，若达到，则说明发生了泄漏，单片机将控制蜂鸣器报警，同时LED亮。

3 软件设计与系统测试

3.1 数据采集系统程序设计

数据采集模块主要是通过浓度传感器来实现，天然气浓度采集程序流程如图4所示。

图4 气体浓度采集程序流程

气体浓度采集的具体步骤如下：

（1）设备初始化，传感器监测数据，即天然气浓度值。

（2）通过数模转换将采集的天然气浓度转换，此时单片机可读取该模拟信号。

（3）根据模拟信号计算出相应的浓度值，并进行相应数据的转换与存储。

3.2 MCU主程序设计

主程序设计主要是为了对浓度传感器采集到的数据进行相应的监测。先判断天然气的浓度是否大于设定好的阈值，若浓度过高则系统会自动报警，之后检查设备是否入网并将传感器采集到的数据通过NB-IoT进行传输，信号会通过NB-IoT上传至云平台，提醒工作人员对问题进行处理。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程

3.3 系统测试

首先针对系统的每个模块进行测试，并在MDK4.50开发平台上将程序代码下载至每个开发电路板上，通过模拟实验来进行城市环境下天然气管道泄漏的监测与定位。当一切准备工作完成之后，天然气管道上已安装好的传感器就会将数据上传至监控平台上，测试结果如图6所示。

图6 上位机接收的数据

4 结 语

本文针对城市环境下天然气管道泄漏的问题，设计了合理有效的监测系统。通过NB-IoT相关技术进行数据的无线传输，弥补了有线传输的不足。通过在管道周围布置相关传感器，使系统的监测范围更加广泛，达到了对天然气管道的实时监测和管理，确保了城市天然气的安全供应。