趙志平

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

趙志平

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)庾詣?dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)城市燃?xì)獗O(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文主要對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析探討。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；城市燃?xì)?；監(jiān)控系統(tǒng)；研究設(shè)計(jì)

1 引言

隨著我國(guó)天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，城市管道燃?xì)庥脩?hù)數(shù)量激增，傳統(tǒng)的以燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)控和用氣計(jì)量收費(fèi)為基礎(chǔ)的城市燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)管理模式已不能適應(yīng)現(xiàn)代城市燃?xì)夤?yīng)服務(wù)的需求，迫切需要全面感知終端用戶(hù)用氣狀態(tài)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)，是智慧城市建設(shè)重要體現(xiàn)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)下城市燃?xì)庀到y(tǒng)規(guī)劃

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市燃?xì)廨斉渥詣?dòng)化應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為智慧城市應(yīng)用的一個(gè)分支，是近幾年熱炒的一個(gè)概念，它通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有多種提法，普遍接受的是國(guó)際電信聯(lián)盟提出的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，它由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，如城市燃?xì)獗O(jiān)控常用的溫度、壓力、流量和燃?xì)庑孤秱鞲衅?、以及管網(wǎng)設(shè)備RFID標(biāo)簽、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用是局部區(qū)域內(nèi)完成物體識(shí)別和信息采集。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，實(shí)質(zhì)就是信息與知識(shí)聚合，在城市燃?xì)獗O(jiān)控中用到的無(wú)線(xiàn)GPRS網(wǎng)和有線(xiàn)公用網(wǎng)；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它需要與具體行業(yè)需求結(jié)合，如和城市燃?xì)饨Y(jié)合，就實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在城市燃?xì)夤芾矸矫娴膽?yīng)用。在三層構(gòu)架上采取開(kāi)放式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智慧城市大量數(shù)據(jù)終端接入（含實(shí)體和虛擬終端，如已建的門(mén)站、儲(chǔ)配站和LNG站可以抽象為一個(gè)虛擬終端），解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸異構(gòu)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在應(yīng)用層通過(guò)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)和各子站“集散控制”，實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)廨斉渥詣?dòng)化調(diào)度和管理。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 主機(jī)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主機(jī)主要利用傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點(diǎn)的信息采集，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過(guò)之前已設(shè)定閥值就輸出控制信號(hào)，控制調(diào)壓站、門(mén)站閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)完成感知終端與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸和接收。閥門(mén)的所有狀態(tài)均經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳遞給STM32微處理器（MCU），STM32微處理器根據(jù)之前設(shè)定的閥值對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，并發(fā)出控制信號(hào)。另一方面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將控制的結(jié)果反饋給終端管理，終端管理也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)STM32微處理器發(fā)出指令。

該監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)部分主要包含STM32處理器、電源模塊、eEPROM模塊GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)、人機(jī)顯示界面。傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，采集數(shù)據(jù)包括：調(diào)壓站燃?xì)膺M(jìn)氣和出氣壓力、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量、泄漏濃度、溫度等；GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳，人機(jī)顯示燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)時(shí)信息；電源模塊向市燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)提供電源；eEPROM模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)、故障等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，調(diào)度人員根據(jù)得到數(shù)據(jù)對(duì)開(kāi)關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用到城市燃?xì)廨斉銼CADA系統(tǒng)中，提高燃?xì)庀到y(tǒng)的自動(dòng)化和信息化水平。城市燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)主要由調(diào)度中心、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、調(diào)壓站和門(mén)站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的中心實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度管理功能，保障城市燃?xì)獍踩煽抗?yīng)。管理板以STM32處理器為核心，通過(guò)RS-232與保護(hù)板通信，并在液晶上顯示燃?xì)獗O(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)狀況，方便用戶(hù)查看。同時(shí)還可通過(guò)按鍵操作實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。管理板主要由顯示屏、鍵盤(pán)、指示燈及通信接口及其他外圍電路組成。

2.2.2 GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊

GPRS無(wú)線(xiàn)通信能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳至互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以獲得實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并可進(jìn)行存儲(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)中具有無(wú)線(xiàn)通信藍(lán)牙裝置，可以實(shí)現(xiàn)與GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊之間的雙向通信。傳感器節(jié)點(diǎn)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)防止傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互干擾，相互之間不能進(jìn)行通信。GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊與STM32微處理器之間通過(guò)串行口進(jìn)行通信。

2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)庠O(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，傳感器能夠?qū)ΡO(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。傳感器將采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，傳至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理放大，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32微處理器中。再通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS無(wú)線(xiàn)通信基站，而數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳則通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)。傳感器采用MQ-2氣體傳感器，其采用電導(dǎo)率較低的二氧化錫，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，受水蒸氣、煙等干擾氣的影響較小。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在人機(jī)界面監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)輸入相應(yīng)的信息后，STM32處理器通過(guò)GPRS通信模塊接收信息，在人機(jī)界面可以設(shè)置城市燃?xì)夤芫W(wǎng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間值。同時(shí)，通過(guò)STM32處理器檢測(cè)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，并經(jīng)過(guò)GPRS通信模傳輸?shù)浇K端管理系統(tǒng)。比如，某節(jié)點(diǎn)的傳感器檢測(cè)到燃?xì)獬霈F(xiàn)泄漏，會(huì)向監(jiān)控人員發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)將檢測(cè)到的信息無(wú)線(xiàn)發(fā)給STM32處理器并在人機(jī)界面顯示，也可以直接發(fā)至用戶(hù)手機(jī)終端上，監(jiān)控人員可以通過(guò)人機(jī)界面迅速關(guān)斷燃?xì)忾y門(mén)，搶險(xiǎn)人員第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)搶修，防止燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無(wú)論身在什么地方，都可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息，對(duì)燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。這樣既解決了燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)問(wèn)題，也解決了燃?xì)夤緦?duì)用戶(hù)用氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題?！?/p>

[1] 謝木軍．王孜，徐水明．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在燃?xì)獍踩I(lǐng)域的應(yīng)用[J]．城市燃?xì)猓?013(03): 34-29

[2] 張鐵軍．城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．石油化工自動(dòng)化，2012, 48(02): 49-52

[3] 楊坤海．城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]．石油化工自動(dòng)化，2010(5): 10-13

[4] 尉如根，鄭立新．基于地理信息系統(tǒng)的燃?xì)夤芫W(wǎng)綜合管理系統(tǒng)建設(shè)[J]．城市燃?xì)猓?011(6): 39-44

Research and Design of City Gas Monitoring System Based on IoT Technology

Zhao Zhip ing
(School of power and mechanical engineering Wuhan University, Wuhan, 430072)

In order to realize the real-time monitoring of city gas pipeline network, the technology of IoT (Internet of things) is applied to the automatic monitoring and control system of gas. Based on this, in this paper, city gas monitoring system based on IoT technology has been mainly analyzed.

IoT technology; city gas; monitoring system; research and design

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.04.008

TN 92，TU 996

B

1672-7274（2017）04-0028-02