一种基于NB-IoT物联网协议的管网智能监控系统

崔闻

【摘 要】在城市管理中，基础设施管理是非常重要的内容。本文介绍了一种基于NB-IoT物联网协议的管网智能监控系统，通过更改系统的应用，可以对城市管网进行有效的管理。

【关键词】物联网；城市管网；监控系统

一、背景介绍

随着近年来我国城市发展建设速度的加快，自来水、油、天然气等地下管廊网络越来越大。地下网络的扩张使得维护这张城市的生命之网越来越难，如果维护工作做得不合格、不及时却会引发各种各样的安全事故，事故的发生意味着对国家造成了直接的经济损失。

在城市管网使用中经常发生阀门井被掩埋、阀门井被移动或遗失、地下管廊中有漏液渗出以及地下管廊中有燃气泄漏等危险情况。[1]

二、项目设计

为解决上述问题，本项目设计了一套管网智能监控系统，将所监测的阀门井掩埋、丢失以及管网中漏液渗出、燃气泄漏等危险情况通过NB-IoT物联网协议传输至运营商服务器或监控人员的手机APP软件上。

具体监测设备中所包含的传感器包括：力传感器、液位传感器和燃气检测传感器。具体系统框图如下：

监测设备所包含各传感器模块及其介绍如下：

（一）压力传感器

压力传感器用于检测阀门井是否被掩埋。力学传感器种类繁多，主要包括压阻式原理、电阻应变片原理、半导体应变片原理、谐振压力原理以及电容压力原理等。

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象俗称为电阻应变效应。我们以金属丝应变电阻为例当金属丝受外力作用时其长度和截面积都会发生变化，从上式中很容易看出其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时其长度增加而截面积减少电阻值便会增大；当金属丝受外力作用而压缩时长度减小而截面增加电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化通常是测量电阻两端的电压，即可获得应变金属丝的应变情况，进而获得压力应变片上所受压力。

压力传感器采用离子束溅射薄膜工艺制作的应变片敏感元件，有效地解决了粘贴式传感器的零漂、蠕变等问题，产品具有性能稳定、可靠性高、精度高、工作温度范围宽、功耗低、温度误差小等优点。

在该项目中，在阀门井上安装压力传感器，如若阀门井被掩埋，压力传感器会受到压力而提供相应的输出，通过NB-IOT传输方式，传输到监测平台，从而使监测方得知阀门井被掩埋。

（二）液位传感器

为保证测量精度，拟采用磁栅传感器，磁栅传感器按照磁栅的工作原理而设计。磁栅的工作原理主要是磁电转换，磁栅尺为已录制好磁波的磁性尺。磁栅尺上相邻栅波的间隔距离称为磁栅的栅距。在测量液位时，磁栅传感器将液体深度转换为磁栅的栅距数。磁栅上的栅距数越多，测量精确度越高。我单位可根据用户对于液位的测量精度要求，灵活选择磁栅上的栅距数目。

该磁栅传感器采用TMR元件，TMR元件全称磁电阻效应传感器，其主要工作原理是磁性材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比广泛应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）也可以用来代指TMR元件，与霍尔元件相比较，MTJ元件具有更好的温度稳定性，更好的线性度，更低的功耗和更高的灵敏度，并且不需要额外的聚磁环结构；与AMR元件相比较，其具有更好的温度稳定性，更宽的线性范围和更高的灵敏度，并且不需要额外的set/reset线圈结构；与GMR元件相比较，其具有更好的温度稳定性，更宽的线性范围，以及更低的功耗和更高的灵敏度。

磁栅液位传感器量程受到水温、水质（盐度、含沙量）和液体性质的影响很小、测量动态范围大，具有线性度高和误差小的特点，特别适用于本项目中液位的精确测量。

（三）燃气检测传感器

该传感器用于检测地下管网燃气管道泄漏事件。可燃气体主要由烷烃等有机气体和某些无机气体组成，其为石油化工等工业场合遇到最多的危险气体。可燃气体与氧气混合并达到一定浓度时，一旦遇到具有一定温度的明火即发生爆炸。可燃气体遇明火发生爆炸的浓度称为爆炸极限，必须有足够的气体或蒸汽存在时才可能发生爆炸，但过多的气体又会使氧气被取代而无法支持燃烧。因此，若想发生燃烧，则对气体浓度的上限和下限都有所要求，这些限制被称为爆炸下限（LEL：Lower Explosive Limit）和爆炸上限（UEL：Upper Explosive Limit）。只有在一定的浓度范围，这种混合物才会发生爆炸。当可燃气体浓度在LEL（可燃气体浓度不足）至UEL之间（氧气不足）才会发生爆炸。

该传感器实际上是由惠斯通电桥组成的检测单元。惠斯通电桥中的一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧介质，无论遇到任何可燃气体，涂有铂金丝电桥的电阻都会由于温度的变化而发生改变。这种电阻变化同可燃气体的浓度成一定比例，通过数字电路测量并计算出可燃气体的浓度，并发出报警信号。

该燃气检测传感器具有稳定性好、检测精度高等优点。在恶劣环境中，仍然具有良好的性能。尤其适用地下管廊等环境。[2]

三、详细介绍

在本项目中，采用我单位自主研发的基于NB-IOT技术的数据传输模块。

NB-IOT是这两年火热的名词，和物联网、大数据一样在IT行业被热捧。NB-IOT是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）的简写，现在中国的主流运营商都在加紧部署NB-IOT网络。

项目智能终端采用意法半导体的超低功耗stm32l051系列单片机做中央控制，将上述介绍的力传感器、液位传感器和燃气检测传感器所采集到的信号通过NB-IoT网络传输至监测端。

服务器端软件登录后的主界面即为监控界面，监控界面可以弹窗提醒阀门井的液位、燃气及压力告警信息。

四、结语

本次的项目建设，主要以建设物联网平台、物联网网络建设为主，此部分建设为市政部门首次建设，因此以标准建设、平台建设先行，在充分论证的基础上，实现业务应用管理平台的建设，并利用此平台来服务于市政各个感知设备，采集并实现数据集中、挖掘，为市政管理提供科学的依据。

参考文献：

[1]凌勇.基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现[D].山东大学，2013.

[2]李士武、劉旭、陈晓爽.物联网和GIS的地下管网三维实时监控系统分析[J].科技视界，2020（34）：118-119.