基于物联网技术的管道内检测器定位通信系统设计

谢恺泽 XIE Kai-ze；耿浩 GENG Hao；丛铎 CONG Duo；李琪 LI Qi；杨贺 YANG He

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

0 引言

在经济和科技的相互带动下，我国对于能源的需求与日俱增，管道作为石油、天然气等能源的主要运输方式之一，其安全有效运行是重中之重。管道内检测技术是目前国内外公认的确保管道安全运行的最有效手段，管道内检测技术以管道内输送介质为行进推动力，在检测器应用过程中，为确保实时获取管道内检测器位置和运行状态，必需对管道内检测器进行实时跟踪定位[1-2]。

目前最常用的管道内检测器实时跟踪定位方法是低频电磁跟踪定位方法[3]。电磁定位法主要利用放置在地面的定位盒进行判别，即管道内检测业务开展前1-2天放置定位盒并启动电源，当检测业务进行管道内检测器经过定位盒下方时，定位盒将对检测器本身的磁场信息进行采集存储，当检测结束后回收定位盒，利用计算机对存储的信息进行离线处理，从而获取管道内检测器经过定位盒时的时间，以用于后续的检测数据的处理分析。该法方法主要采用检测前后分离的处理方式，无法实时获得检测器的运行状态，事后分析的方法也使得接收信息且具有很低的可靠性，经常事后发现无效数据，来不及弥补，无法真正做到实时的在线监测分析[4-6]。

针对目前管道内检测器跟踪定位系统应用的局限性，设计出一款基于物联网技术，在STM32控制器上运行的，简单、高效、实时监测、统一管理的管道内检测器定位监测系统。本文详细阐述了系统的模块化构成，展示并分析了各模块的构成原理和运行机制，并通过实验验证了系统对信息传递的有效性和实时性，为后期进一步研究提供了可靠理论支撑。

1 管道漏磁内检测器定位通信原理

管道内检测器跟踪定位通信系统主要根据低频发射机经过低频接收机下方时，接收机接收到发射信号时判断检测器位置和通过时间信息，利用通信系统实现跟踪定位人员、以及不同接收机之间的相互通信，从而实现对管道内检测器的实时跟踪定位信息的有效、及时传递，如图1所示为管道内检测器跟踪定位原理图。

图1 管道内检测器跟踪定位原理图

当接收机接收到低频信号时，触发定位通信系统工作，获取当前时间信息，并利用无线通信模块将时间信息进行传递。

1.1 定位通信系统组成

本系统以STM32控制器为设计主体，以LORA通信技术为核心。系统利用外置的接收线圈接收检测器运行过程中发出的低频电磁信号，进行信号的初步方大、滤波等技术调理之后，触发主控芯片工作，通过AD采样将接收到的信号进行存储，同时利用时钟芯片读取当前时刻信息进行存储，并通过通信模块向制定的接收模块发送时间信息；利用LCD屏幕进行时间信息的显示，通过蜂鸣器进行检测器位置信息的报告预警，系统的整体方案设计如图2所示。

图2 接收定位通信系统框图

1.2 LORA通信技术原理

管道运输作为长距离运输方式，空间跨度广，多数情况下需穿越无人地区，目前检测器的检测管线长度均为200-300公里，接收定位盒一般沿管线需间隔500-1000米放置。

现有通信技术中，有线通信由于工艺条件以及管道的长距离应用需求限制，无法有效利用有线进行进行通讯研究；无线通信技术中，常用的有Bluetooth、ZigBee、WiFi等传统的无线通信技术，适用范围广，基础完善，但传输距离短，多在100米内。而低功耗广域网络（LPWAN）相较于前者覆盖范围达几公里，在成本、可拓展性、功耗、数据速率等方面都具有一定优势。低功耗广域网络包含Sigfox、NBIoT、LORA等多种成型技术[7-8]。Sigfox技术传输距离远市内干扰环境下有效通信距离3-10km，农村弱干扰环境下有效通讯距离30-50km，但数据传输速率底每秒不足1B，国内尚未有效应用。NB-IoT技术为华为与高通等公司合作提出，信号覆盖区域广，功耗低，单一基站设备支持率高达5万个，但成本过高，不适用于本项目。而LORA技术不仅远距离传输，最高达到15km，且功耗低，终端接受电流仅10mA，最低功耗3mA，电池寿命超过10年，网络结构简单，模块成本低，适用于具备低功耗、远距离距离、可跟踪定位等特点的物联网设计中[9]。

对比上述三种LPWAN技术，都具有远距离，低功耗的优势，Sigfox技术国内发展较缓慢；NB-IoT需要在电信授权频段工作，与运营商合作，成本高；LORA技术在最近几年发展迅速，而且工作在ISM免费频段，网关成本低，部署简单，有利于设计开发。综上所述，本文设计的无线传感器网络终端节点，选用基于LORA技术的射频收发芯片[2]，LPWAN无线通讯方式参数对比如表1所示。

表1 无线通信方式参数对比表

LORA网络架构采用星型拓扑结构，基于该技术的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接；当进行长距离连接时，两者间可直接进行信息交互，有效减少网络复杂性和能量损耗，延长设备使用寿命。LORA采用自适应数据速率策略，最大网络优化每一个终端节点的通信数据速率、输出功率、带宽、扩频因子等，在低功耗状态下稳定工作，电池寿命有效延长。LORA技术经过近几年的发展，以有相关运行标准，促进了不同通信模块、独立终端、网关、服务器之间的双向操作性，响应速度及处理时长大大缩短。

2 系统各组成模块设计与分析

定位监测系统主要由信号检测单元、数据采样单元、时间处理单元、对外通信单元、存储读取一体化单元和电源单元等六部分组成。

2.1 信号检测单元

信号检测单元主要由极低频信号接收线圈和信号调理电路等组成，利用接收线圈检测发射机发出的磁场信号，利用模拟电路对信号进行初步处理，信号检测检测单元如图3所示。

图3 信号检测单元结构图

依据法拉第电磁感应理论，接收线圈将接收到的极低频磁场信号转换为极低频电压信号，由于空间中存在谐波噪声，空间噪声被接收线圈接收后，叠加在有用信号中，会对极低频信号产生干扰，因此，采用信号调理电路对微弱极低频信号进行放大、滤波处理，处理之后，提供给MCU电路进行传输[10]。

2.2 数据采样单元

主控MCU采用意法半导体公司STM32系列单片机，当传感器获取磁场信号后，利用ADC采样模块对信号检测单元给出的电压信号进行采集，设计中采用MCP3202A/D信号转换模块，实现对信号的采集传输，该模块具有10kHz有效时钟频率，转换速率100ksps为，可将采集到的电压信号进行处理转换为12位数字电压信号传输至主控MCU单元，供后续信息的处理和分析，信号采样模块及外围电路连接如图4所示。

图4 数据采集单元电路

2.3 时间处理单元

为了有效获取检测器通过定位盒下方的时间信息，设计中采用DS1302芯片进行24小时制时间计数，该模块采用双电源供电方式、三线同步通信方式，保证了时间的精准度；同时采用8位数据传输、存储方式保证其对时间点的获取和处理能力，时间处理单元如图5所示。

图5 时间处理单元电路

2.4 LORA通信单元

系统中采用LORA通信模块作为整个通信系统的核心单元，通信单元选用Semtech公司生产的SX1261芯片，SX1261芯片最大链路预算170dB，内置TCXO晶振，抗干扰能力强，可编程比特率高达62.5kbps，理论电流小于6.5mA。系统选用民用开放频段433MHz作为通信工作频段，SX1261芯片相应管脚与主控制器的CLK接口连接，进行数据传输与通讯。SX1261芯片与PE4259射频开关芯片连接，通过相关指令实现对外通信收发控制，通信模块电路如图6所示。

图6 LORA通信单元

依据电路原理，电感线圈会过滤掉高频率的干扰频率，而电容会过滤掉低频率的干扰频率。所以采用LC并联滤波电路，过滤外界环境变化造成的杂波；工作频段433MHz具备较强的抗干扰能力，保证通信通畅。

2.5 存储读取一体化模块

在通过数据采样系统采集完数据后，数据经过AD转换换转为二进制数字。通过主芯片MCU后连接存储器FM24C512并将数字信号传入存储器FM24C512内，检测完成的数据备份，以供后续检查。再通过PA14，PA15接口与SP3232串口完成连接。SP3232串口再将收到的数据通过JP1口与对外通信模块中的LORA部分连接，以达到存储读取的目的并且工程结束后可拷贝、上传数据，如图7所示。电容C1，C5的作用是过滤掉一些低频的杂波并且避免直流电过大损伤芯片。

图7 存储读取单元

2.6 电源单元

作为系统供电核心，电源模块以TPS54231芯片为核心，实现电压转换，满足各模块供电需求，12V电源电压经由TPS54231芯片转为5V参考高电平同时供电各芯片，继而转换为3.3V参考低电平，电源单元电路如图8所示。

图8 电源单元电路

3 实验与结果分析

为验证信号传输的有效性，对设备的通信效果以及准确性进行实验验证，对信号的工作有效性进行验证，测试系统通信性能的有效性和有效传输距离，实验过程示意图如图9所示。

如图9所示，在空旷的室外条件下，实验时，令定位盒1位置固定不动，定位盒2逐渐移动，使定位盒2距离定位盒1的距离分别为500米，600米，700米，800米，900米及1000米，测试通信系统的有效通信距离；当定位盒2放置在指定位置后，令定位盒1发送信息，验证系统的响应时间以及不同距离下的数据传输效果。

图9 发射线圈磁场分布试验示意图

试验结果表明，在野外空旷实验条件下，两定位盒之间具有很好的通信性能，可有效传送信息，且实验初步表明有效传输距离至少可达到实现1000米，虽然距离越大，响应时间越长，但传输距离和响应时间方面均具有良好的稳定性和可靠性，满足实际工程中管道内检测器实时通信的需求。

图10 实验结果图

4 结论

提出了基于STM32单片机和Lora通信技术的管道内检测器实时通信系统的设计方法。详细阐述说明了所设计的基于物联网的管道内检测定位监测系统整体构成及各模块设计，并进行了系统想能的初步测试。结果表明，设计的通信系统可有效实现数据的通信，当距离为1000米时，仍能进行可靠传输时间、编号等相关数据，对管道检测智能化管理与运行具有重要意义。