趙志平

（武漢大學動力與機械學院，武漢 430072）

基于物聯(lián)網技術的城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)研究設計

趙志平

（武漢大學動力與機械學院，武漢 430072）

為實現(xiàn)對城市燃氣管網實時有效的監(jiān)控，提出了將物聯(lián)網技術應用到燃氣自動監(jiān)控系統(tǒng)中，對城市燃氣監(jiān)控現(xiàn)場數據進行實時監(jiān)測，本文主要對基于物聯(lián)網技術的城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)進行分析探討。

物聯(lián)網技術；城市燃氣；監(jiān)控系統(tǒng)；研究設計

1 引言

隨著我國天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，城市管道燃氣用戶數量激增，傳統(tǒng)的以燃氣管網監(jiān)控和用氣計量收費為基礎的城市燃氣運營管理模式已不能適應現(xiàn)代城市燃氣供應服務的需求，迫切需要全面感知終端用戶用氣狀態(tài)。應用物聯(lián)網技術實現(xiàn)城市燃氣管網SCADA系統(tǒng)，是智慧城市建設重要體現(xiàn)。

2 基于物聯(lián)網下城市燃氣系統(tǒng)規(guī)劃

2.1 物聯(lián)網技術在城市燃氣輸配自動化應用

物聯(lián)網作為智慧城市應用的一個分支，是近幾年熱炒的一個概念，它通過射頻識別（RFID）等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網結構有多種提法，普遍接受的是國際電信聯(lián)盟提出的感知層、網絡層和應用層三層結構。

感知層是物聯(lián)網的核心，它由各種傳感器以及傳感器網關構成，如城市燃氣監(jiān)控常用的溫度、壓力、流量和燃氣泄露傳感器、以及管網設備RFID標簽、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用是局部區(qū)域內完成物體識別和信息采集。網絡層由各種私有網絡、互聯(lián)網、有線和無線通信網、網絡管理系統(tǒng)等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，實質就是信息與知識聚合，在城市燃氣監(jiān)控中用到的無線GPRS網和有線公用網；應用層是物聯(lián)網和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它需要與具體行業(yè)需求結合，如和城市燃氣結合，就實現(xiàn)物聯(lián)網在城市燃氣管理方面的應用。在三層構架上采取開放式架構，實現(xiàn)智慧城市大量數據終端接入（含實體和虛擬終端，如已建的門站、儲配站和LNG站可以抽象為一個虛擬終端），解決了網絡傳輸異構協(xié)議的轉換，在應用層通過城市燃氣管網和各子站“集散控制”，實現(xiàn)城市燃氣輸配自動化調度和管理。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 主機設計方案

系統(tǒng)主機主要利用傳感器實現(xiàn)無線傳感器網絡普通節(jié)點的信息采集，當采集的數據超過之前已設定閥值就輸出控制信號，控制調壓站、門站閥門的開關，通過移動通信網絡和互聯(lián)網完成感知終端與傳感器之間的數據傳輸和接收。閥門的所有狀態(tài)均經過模數轉化后傳遞給STM32微處理器（MCU），STM32微處理器根據之前設定的閥值對獲得數據進行處理判斷，并發(fā)出控制信號。另一方面移動通信網絡將控制的結果反饋給終端管理，終端管理也可以通過無線網絡對STM32微處理器發(fā)出指令。

該監(jiān)控系統(tǒng)主機部分主要包含STM32處理器、電源模塊、eEPROM模塊GPRS無線通信模塊、傳感器節(jié)點、人機顯示界面。傳感器節(jié)點能夠實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場數據的采集，采集數據包括：調壓站燃氣進氣和出氣壓力、瞬時流量和累計流量、泄漏濃度、溫度等；GPRS無線通信模塊可以將采集的數據進行無線遠傳，人機顯示燃氣管網實時信息；電源模塊向市燃氣管網監(jiān)控系統(tǒng)提供電源；eEPROM模塊對采集到的數據、故障等信息進行存儲，調度人員根據得到數據對開關閥、調節(jié)閥進行控制。采用物聯(lián)網技術將采集到的數據應用到城市燃氣輸配SCADA系統(tǒng)中，提高燃氣系統(tǒng)的自動化和信息化水平。城市燃氣監(jiān)控系統(tǒng)主要由調度中心、網絡通信系統(tǒng)、調壓站和門站的數據監(jiān)測及現(xiàn)場檢測儀表、傳感器、執(zhí)行機構等部分組成，保證城市燃氣管網的中心實時監(jiān)控和統(tǒng)一調度管理功能，保障城市燃氣安全可靠供應。管理板以STM32處理器為核心，通過RS-232與保護板通信，并在液晶上顯示燃氣監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境實時狀況，方便用戶查看。同時還可通過按鍵操作實現(xiàn)良好的人機交互功能。管理板主要由顯示屏、鍵盤、指示燈及通信接口及其他外圍電路組成。

2.2.2 GPRS無線通信模塊

GPRS無線通信能夠將傳感器節(jié)點采集到的數據傳至互聯(lián)網，監(jiān)控人員通過互聯(lián)網可以獲得實時監(jiān)控數據，并可進行存儲。傳感器節(jié)點中具有無線通信藍牙裝置，可以實現(xiàn)與GPRS無線通信模塊之間的雙向通信。傳感器節(jié)點采用星型拓撲結構，當單個傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響整個無線網絡，同時防止傳感器節(jié)點之間相互干擾，相互之間不能進行通信。GPRS無線通信模塊與STM32微處理器之間通過串行口進行通信。

2.2.3 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點安裝在監(jiān)控現(xiàn)場，對現(xiàn)場燃氣設施進行監(jiān)控，傳感器能夠對監(jiān)控現(xiàn)場數據進行實時采集。傳感器將采集到數據經過模擬信號轉化為數字信號后，傳至數據處理單元進行處理放大，將數據傳輸到STM32微處理器中。再通過無線收發(fā)裝置將處理后數據發(fā)送至GPRS無線通信基站，而數據遠傳則通過GPRS模塊實現(xiàn)。傳感器采用MQ-2氣體傳感器，其采用電導率較低的二氧化錫，具有抗干擾能力強的特點，受水蒸氣、煙等干擾氣的影響較小。

2.3 軟件設計

在人機界面監(jiān)測管理系統(tǒng)輸入相應的信息后，STM32處理器通過GPRS通信模塊接收信息，在人機界面可以設置城市燃氣管網閥門開關時間值。同時，通過STM32處理器檢測閥門開關狀態(tài)信息，并經過GPRS通信模傳輸到終端管理系統(tǒng)。比如，某節(jié)點的傳感器檢測到燃氣出現(xiàn)泄漏，會向監(jiān)控人員發(fā)出聲光報警，同時將檢測到的信息無線發(fā)給STM32處理器并在人機界面顯示，也可以直接發(fā)至用戶手機終端上，監(jiān)控人員可以通過人機界面迅速關斷燃氣閥門，搶險人員第一時間趕到現(xiàn)場搶修，防止燃氣泄漏事故的發(fā)生。

3 結束語

通過物聯(lián)網技術，無論身在什么地方，都可以根據傳感器節(jié)點采集到的信息，對燃氣閥門開關操作，實現(xiàn)遠程控制系統(tǒng)。這樣既解決了燃氣計量收費的基礎數據問題，也解決了燃氣公司對用戶用氣狀態(tài)的數據采集問題?！?/p>

[1] 謝木軍．王孜，徐水明．物聯(lián)網技術在燃氣安全領域的應用[J]．城市燃氣，2013(03): 34-29

[2] 張鐵軍．城市燃氣管網SCADA系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]．石油化工自動化，2012, 48(02): 49-52

[3] 楊坤海．城市燃氣管網SCADA系統(tǒng)的設計及應用[J]．石油化工自動化，2010(5): 10-13

[4] 尉如根，鄭立新．基于地理信息系統(tǒng)的燃氣管網綜合管理系統(tǒng)建設[J]．城市燃氣，2011(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