基于NB-IoT的燃气管道气密性检测仪设计

吴铁军

（辽宁思凯科技股份有限公司，辽宁 丹东 118008）

0 引言

目 前 在 仪 表 行 业 中，4G、NB-IoT、GPRS、LoRa、WiFi和蓝牙等通信技术都得到了广泛应用，其中NB-IoT以独特的低功耗优势获得企业的广泛喜爱。它是基于蜂窝技术的窄带物联网[2,3]，深度覆盖，在GSM基础上网络增益20dB，区域覆盖的能力提升了100倍，一个基站就可以覆盖一个小县城[4]；海量连接，一个扇区能够建立10万个连接；低功耗，使用AA电池（5号电池）便可以待机工作10年，无需充电；低成本，模组芯片成本只需十几元；使用运营商授权频道进行组网，抗干扰能力强、网络信号稳定、数据传输安全可靠，对于气密性检测仪因安装位置较差而无法通信问题起到关键的作用。本文设计一种基于NB-IoT的燃气管道气密性检测仪，一方面主动采集、上报各管道监测点的温度、压力数据，另一方面接收来自监控管理平台的设置、控制等命令，实现对燃气管道温度、压力的低功耗远程监控。

1 系统总体架构

数据监控管理系统由气密性检测仪、NB-IoT网络、IoT云平台和监控管理平台组成，系统总体架构如图1。

图1 系统总体架构图Fig.1 Overall system architecture

在对燃气管道的安装进行气密性实验时，用304不锈钢封装后的管道温压传感器通过螺纹连接固定在燃气管道上，将打压管段两端封死，向其中注入空气，待压力达到设计压力1.5倍时停止，保压一个小时[5,6]。管道温压传感器检测管道中的温度和压力，再将检测到的数据通过I2C通信接口传输到气密性检测仪内部单片机，单片机将采集数据进行计算、存储、分析、整理后，按照统一的应用层通信协议打包后，通过UART串口与NB-IoT模组通信，在附着基于运营商的NB-IoT网络接入核心网，采用LwM2M协议方式将采集的实时数据上报至IoT云平台。IoT云平台将数据上传至监控管理平台，每小时上传一次，上传24h后，若上传的数据符合要求,则该管道方可投入正常使用。

2 技术指标与功能设计

技术指标见表1。

表1 技术指标Table 1 Technical indicators

气密性检测仪功能如下：

“你已被她妖艳的容貌所迷惑！”族长和师父的话语同时在他的脑海中响起，他愣愣地，觉得心底恶魔的种子再一次舒展了筋骨。

1）按键功能：当按键时间≤3s时，液晶翻页显示数据，打开近端参数设置串口，20s无任何操作熄灭显示液晶，关闭串口；当3s＜按键时间≤6s时，开机、手动NB上传数据；当6s＜按键时间≤9s时，启动北斗和GPS定位获取位置信息；当9s＜按键时间≤12s时，启动表压、绝压切换功能；当12s＜按键时间≤15s时，关机。

2）液晶显示功能：用户可通过按键、液晶显示随时查看管道温度、管道压力、当前日期、时间、电量状态、信号强度、定位信息以及其他一些功能标志等。

3）LED指示功能：绿灯表示NB运行状态，红灯表示北斗运行状态。

4）充电功能：设备电量低时可使用TYPE C线进行充电，充电时间约2h。

5）定时上报功能：定时上传，可在线配置为以分钟为最小单位，按分钟上传、按小时上传、按天上传等模式。数据上传过程中，数据需采用动态加密方式，保证通信数据安全。上传策略：5min存储1次数据，1小时1次进行上传。

6）实时报警功能：检测仪每20s轮询采集一次管道压力和温度，当发生符合预设条件的报警事件（如：电池电压低于欠压值或温度压力超限）时，并多次探测到数据超越报警线，将报警信息上传。

7）存储功能：表具可本地记录最近2500条实时温度和压力数据、500条报警数据。

8）时钟功能：表内具有时钟功能，具有识别闰年闰月功能，通讯时必须校准表内时钟，具备远程自动校时功能。

9）参数设置功能：可通过监控管理平台远程设置参数，可通过手持单元设置参数。

10）电源电压检测功能：应具读出电源电压值功能，误差小于0.1V；当电压小于阈值时，上传低电量报警，还能支持表具工作。

11）升级功能：应能支持手持单元升级、远程升级、FOTA固件升级。

12）数据补发功能：当检测仪正常完成本次周期上报之后，应当自动检测所有已存储的周期数据，并将存储区域内所有未完成上报的数据，以下一次主动上报后进行补充发送。

13）北斗和GPS定位功能：可通过按键和远程开启精确定位，将位置信息在液晶中显示，并上传到监控管理平台。

14）数据重发功能：正常上传数据结束后，如果20s内没有接收到平台指令回馈或接到错误回馈，数据重发；如果未接收到或错误超过3次，不再数据重发，进入休眠。

3 系统硬件设计

气密性检测仪由电源、微处理器、稳压降压电路、复位电路、按键、液晶、外置管道温压传感器、EEPROM、NB-IoT模组、北斗和GPS定位模组、充电和USB通信电路、AD采样、LED指示灯构成[7]。硬件总体设计如图2。

图2 硬件总体设计Fig.2 Overall hardware design

电源：气密性检测仪一般安装在燃气管道监测记录温度、压力数据24h后，需要拆除气密性检测仪，属于临时应用仪表工具，所以设计使用锂离子聚合物电池为整机电源，可充电，内置过充过放电智能保护板，标称电压3.7V，充电电压4.2V～5V。满电电压4.2 V±0.05V，额定容量2000mAh。将3.7V电池电压经BUCK电路降压转换为3.0V，为微处理、EEPROM、温压传感器等提供电源。

微处理器：设计使用国产FM33LG048微处理器，该处理器是一款基于ARM Cortex-M0+内核32位微控制器，可在电压为1.65V～5.5V，-40℃～+85℃环境下工作，最高主频64Mhz，8个串口，6个定时器，内置2个RTC，低功耗VBAT模式电流最小0.8μA，充足的256KB Flash空间，可实现系统远程升级。

外置管道温压传感器：设计使用MS5803-14BA微型温度压力传感器，属于绝压传感器，压力量程范围0kPa～1400kPa，分辨率0.02kPa，精度±2kPa，温度量程范围-40℃～+85℃，分辨率0.01℃，精度±0.8℃，供电电源1.8V～3.6V，带有SPI和I2C两种接口，内部包含高线性度的压力传感元件和超级低功耗的24位ΔΣADC，内置工厂校准系数，提供高精度的24位压力和温度数字输出，可以根据应用需要配置转换速度和功耗，可以与所有形式的微控器配合，通讯协议非常简单，无需修改内部寄存器。将该温压传感器封装到304不锈钢压力变送器壳体内，通过壳体外部螺纹连接到燃气压力管道上，负责检测燃气管道的压力和温度。

NB-IoT模组：设计使用移远NB-IoT模组BC28。该产品结构紧凑，占用空间小，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多频段工作，并且支持UDP、TCP、CoAP、MQTT、LwM2M等多种网络通信协议，供电电源范围应为2.1V～4.2V，需要锂电池串联一个肖特基二极管后给模组供电，防止锂电池充满电后4.25V超过其电压范围。

北斗和GPS定位模组：设计使用TAU1103双模定位模组，支持接收BDS B1I、GPS L1CA、SBAS等卫星信号。定位精度GNSS（2.5m CEP）、SBAS（2.0m CEP），带有UART接口。

充电和USB通信：充电设计使用TC4056A，单节锂离子电池采用恒定电流、恒定电压线性充电，提供固定的4.2V充电电压。USB通信设计使用CH340H，外部5V供电，其引脚RXD、TXD需要用三极管电平转换后与单片机的串口相连，从而实现USB和单片机串口通信。

AD、EEPROM、液晶：AD采样控制三极管，将锂电池和分压电阻导通后采集电池电压。EEPROM设计使用24AA512存储器，该存储器读写次数超过100万次，200年以上的数据保存时间，存储容量为512K位，可以存储2500条实时温度和压力数据、500条报警数据。液晶设计使用1.3寸OLED显示屏，分辨率为128×64，支持SPI通信接口。

4 系统软件设计

软件程序流程如图3。

图3 软件程序流程图Fig.3 Software program flow chart

首先进行系统初始化，每20s进行采集一次管道温度和绝对压力数据，经过内部单片机计算后转换成表压力，将管道表压力和温度与管道温度、压力报警阈值（以中压为例：欠压下限2.5kPa，欠压上限150kPa，超压下限375kPa，超压上限600kPa，温度下限-20℃，温度上限60℃）做比较，数据正常程序向下进行处理，如果数据不正常，触发同一种报警（例如欠压上限报警）次数判断，小于3次程序向下进行处理，超过3次进行报警数据存储、报警上报，此时监测管理平台接收到气密性检测仪的实时报警数据。当存储时间到时，对采集的数据统一封装后存储到24AA512存储器。当上传时间到时，使能NB-IoT模组，读取24AA512存储器中的实时数据，主动上报至监控管理平台。上报完成后，等待接收监控管理平台的下发命令，如修改存储间隔、上传间隔、温度压力上下限配置参数等命令，系统对接收到的命令进行响应并应答。当接收到结束数据包，气密性检测仪退出上报流程进入低功耗模式。

5 系统测试

5.1 功耗测试

气密性检测仪实际使用过程中通常设置1小时1次上传频率，所以需要以小时为单位计算功耗情况如下：

1）静态功耗。气密性检测仪的绝大部分时间都处于休眠状态，实测得其静态电流为35μA，静态功耗为3600s×0.035mA =126mAs。

2）通信功耗。每小时连网通信一次，而NB连网受地理位置和电池电量的影响，基站拥堵或信号弱最长可以5min，最短只需要20s，通常取每次通信在60s完成，使用一台KEYSIGHT 34465A的6.5位台式万用表测试通信过程，测得其平均工作电流为50mA，通信功耗为60s×50mA=3000mAs。

3）采集功耗。每20s轮询采集一次管道压力和温度需要用时80ms，为了防止异常数据触发报警会多采集两次数据，整体用时按照平均200ms计算。两种温压传感器都是低功耗产品，只有在内部AD转换过程中消耗电流1.8mA，绝大部分耗能是单片机唤醒后的电流2.5mA，按照平均3mA计算，采集功耗为3600s/20s×0.2s×3mA =108mAs。

4）整体功耗。小时整体功耗为126+3000+108=3234（mAs），电池额定容量为2000mAh，使用过程中容量存在衰减，实际使用容量可按照额定容量的50%计算，可用天数为1000mA×3600s/3234mAs/24h=46.38天。

5.2 功能测试

在实验室环境，准备4台气密性检测仪，一台ConST283智能数字压力检验仪，可测量表压力，量程 范 围0kPa～1600kPa，准 确 度 等 级0.05级。一 台JM222手持数字温度计，测温范围-30℃～199.9℃，测量误差±0.4%FS±0.1℃。一台高低温试验箱，温度范围-20℃～150℃，降温速度0.7℃/min～1℃/min。

1）表压、绝压切换功能。在相同大气环境中，分别通过液晶读取4台气密性检测仪的管道压力数据，此时液晶显示压力为100kPa左右（大气压数据），长按键触发切换功能，此时内部单片机快速采集大气压数据30次后取平均值，将管道压力减去平均值得到的压力显示到液晶中为0kPa左右，说明已经切换到表压力工作模式。大多数实际应用中都是以表压力进行计算，所以气密性检测仪在安装到管道前，都需要切换表压力模式，使液晶压力显示归零，防止不同地域大气压环境影响精度。

2）精度测试。压力测试，在室温25℃环境中，将4台气密性检测仪的管道温压传感器通过压力软管和数字压力校验仪相连接，通过校验仪给压力软管内打压，分别测量0kPa～1000kPa范围内压力，测试结果见表2。将测压数据与校验仪数据进行比较，误差均在4kPa以内。温度测试，在大气压环境中，将温度计的测温探头和气密性检测仪的温压传感器不锈钢外壳接触可靠，同时放置到高低温箱内，降温到-20℃恒定10min后，观察检测仪如果有NB上传，此时记录温度计的温度数据，通过监控管理平台读取传感器检测温度数据，依次升温完成试验数据见表3。将测温数据与温度计数据进行比较，误差均在±0.8℃以内，达到设计的技术要求。

表2 室温25℃测量压力数据Table 2 Pressure data measured at room temperature of 25℃

6 结语

本文设计的燃气管道气密性检测仪在工程实际中明显优于传统检测方式。在燃气管道的气密性试验中，应用气密性检测仪和监控管理平台可避免传统人工检测的缺点，提高了检测的实时性、准确性，保证了燃气管道施工或维修质量，具有很好的现实意义和商业价值。

表3 大气压中测量温度数据Table 3 Temperature data measured at atmospheric pressure