基于NB-IoT的综合管廊智能监控系统设计

丁 松，王昌盛，郑 平

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

目前，城市地下综合管廊建设的规模越来越大，且管廊内部环境错综复杂，各种工程管线集中在一起，其中的天然气管线的维护尤为重要。如果发生事故，不仅影响城市生活正常进行，还会威胁到管廊巡检工作人员的安全。为了避免管廊内天然气管线的损坏与泄漏所带来的危害，及时对综合管廊内部整体环境情况进行实时监测，以确保达到实时、自动准确监测地下综合管廊内的内部环境情况是至关重要的。因此，需要针对管廊内天然气气体浓度、环境温湿度、振动信号等相关环境参数进行实时监控。当这些环境参数超过预警值时，及时报警并反馈给相关管理部门，联动控制单元，并派巡检人员及时维修。

现代城市地下通道综合管廊内部管理状态复杂，缺乏智能、有效、可靠、经济的廊内环境监控的方法与手段。针对这一问题，本文结合新兴无线通信技术窄带物联网（NB-IoT）的优点，构建综合管廊内部实时智能管控监测管理系统，实现对综合管廊内部各种环境参数的有效监测。通过模拟应用，验证了本系统的有效可行，为开展城市地下管道综合管廊的智能监控、管理及日常维护工作提供了一种有效的智能监测解决手段。

1 系统方案总体设计

城市地下综合管廊的智能监控系统整体结构如图1所示，整体系统由以下部分构成：针对综合管廊环境的温度、湿度、有害气体和振动参数信息的采集处理部分，环境参数信息远程传输部分，上位机监测管理PC端和移动端部分。

图1 系统整体结构

2 系统硬件设计

综合管廊环境监控系统硬件终端主要由电源供电模块、环境参数信息采集传感器模块、STM32F103主控模块、NB-IoT无线传输模块四部分组成，分别负责系统硬件供电、信息采集、系统核心控制、无线传输通信等，如图2所示。

图2 系统硬件结构

2.1 主控模块

主控模块选用STM32F103C8T6芯片，该芯片不仅具有超低频、低功耗、低成本的特点，且芯片存储空间容量大，外围电路模块丰富，采用高性能ARMCortex-M32位的内核，支持扩展多种传感器模块，其特性完全可以满足地下综合管廊的复杂多变环境。

2.2 传感器模块

本系统针对综合管廊内环境进行监控，数据采集选用环境温湿度传感器、MQ-4传感器、振动传感器。

环境温湿度监测选用的是DHT11数字低功耗传感器，通过One-Wire单总线与STM32进行数字信号通信，温湿度测量精度范围分别为0～50 ℃、20%～90%，稳定抗干扰性强。有害气体监测选用的是MQ-4传感器，主要针对管廊内天然气管泄漏产生的甲烷等有害气体进行监测，反应迅速，能及时测量廊内有害气体浓度，保证入廊巡检人员的安全。地形变化会导致管廊沉降、振动或者晃动，导致内部设备可能存在安全隐患，对此选用SW-420常闭振动检测传感器，工作时电压范围为3.3～5 V，无振动状态时开关闭合表示为低电平，振动状态时表示为高电平，可以通过检测输出的高低电平来判别是否出现为振动或晃动。

2.3 NB-IoT无线通信模块

NB-IoT技术主要构建于蜂窝通信网络，具有低网络成本、低速率功耗、深覆盖的特点，是一种在全球较大范围被广泛应用的新兴通信技术。

本系统选用由上海移远通信公司推出的国内首款NB-IoT R13标准协议的BC95系列工程模块，它是一款高性能、低功耗、穿透强、稳定的无线通信模块，可与多种终端设备连接，支持多种网络协议，尺寸小，供电电压为3.3 V，休眠功耗为5 μA，工作功耗为6 mA。由此实现综合管廊内部环境监测系统长时间、实时地与云平台通信，保证数据信息的实时传输显示。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要分为管廊内环境采集终端和STM32F103主控制两部分，开发软件采用MDK5，并采用C语言对系统进行编程。

3.1 系统主程序设计

系统启动，完成GPIO口、USART串口以及ADC数模转换等初始化；将终端设备入网，BC95通信模块与云平台对接，等待数据的传输；读取温湿度、天然气浓度以及振动传感器参数，发送参数至CDP服务器，判断服务器是否有指令下发。若有，则控制继电器动作，开启各类执行器工作；若无，则延时60 s，完成数据的采集与上传。系统主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程

3.2 采集终端程序设计

环境参数信息采集终端由MQ-4传感器、振动传感器、温湿度传感器组成，将采集到的环境信息通过NB-IoT无线传输至上位机，实现对管廊的实时监测。

MQ-4传感器首先检测到空气中天然气的浓度值，STM32将采集到的信息进行A/D转换，最后判断天然气浓度值是否大于参考值。如果超过参考值，则上传报警，提醒相关巡检人员进行处理；如果低于参考值，则上传储存，再返回重新采集数据。MQ-4传感器程序设计流程如图4所示。

图4 气体采集程序流程

振动传感器在休眠状态时，表示为低电平，振动开关状态为关闭，同时绿色指示灯亮起，延迟一段时间完成数据上传储存，返回重新采集数据；当振动产生时，振动开关断开，表示为高电平，同时绿色指示灯不亮，并上传报警。振动传感器程序设计流程如图5所示。

图5 振动信号采集程序流程

温湿度传感器发送检测信号，开始采集数据，再将采集的温湿度数据转换成主控模块可读取的模拟值信号，并上传储存，最后再返回重新采集。温湿度传感器程序设计流程如图6所示。

图6 温湿度采集程序流程

4 系统测试

在完成对系统的软硬件设计后，搭建好监测平台，连接好设备，并对其通电处理，在模拟环境下对系统进行采集测试来验证该监测系统的可行性。实时变化曲线如图7所示，上位机实时监控界面如图8所示。正常环境下，环境参数保持不变，当改变周围环境时，环境参数曲线发生跳跃变化；此时，上位机实时监控界面显示的温度为30 ℃，湿度为77%，气体浓度为11%，无振动发生。

图7 实时变化曲线

图8 上位机实时监控界面

为了保证实验的客观性，再次验证手机客户端的实时监测效果。通过调节设置的报警阈值，改变振动环境。手机客户端监测情况如图9所示。管廊内温湿度和天然气浓度高于阈值，且振动信号由0变为1时，系统报警，LED指示灯亮起。

图9 手机客户端监测情况

5 结 语

为了避免因不可控因素导致综合管廊内部环境变化而带来的危害，设计实时有效的监控系统。系统中运用NB-IoT无线传输技术，弥补了有线传输的局限性。通过在管廊舱内布置高灵敏度传感器，并通过上位机实时显示，对管廊内部进行了实时、准确、快速的监控和管理，确保了管廊内部安全以及城市生活的正常运行。