基于NB-IoT的透气井监测预警系统研究

张云千 魏青峰

上海市城市排水有限公司管线管理分公司 上海 200000

引言

目前，B公司主要经营上海四大干线、宝山静安路等六区的部分苏建污水管网和上海6个城市排水系统。由于沿途的污水输送泵站经常在进行非正常工作时出现水锤、浪涌等情况导致气体的加剧而产生，因此通常采用了在污水管道上安装透气井的方法对污水中气体进行排放，以避免气体对管道及其他附属设备的直接破坏[1]。同时由于污染管道的漂浮物（如垃圾、上浮的淤泥等）在管内水位高于顶板时聚集于透气井中，经过长时间的一系列物理化学作用，透气井内会产生大量恶臭气体，给城市安全带来危害。

随着城市人民生活水平的持续向好，对排水管网管理安全意识的日益增强以及对环境良性循环需求的不断增长，相关部门对透气井气体的管理有了进一步的研究。虽然各地在透气井检查上投入较大费用，积累了大量资料，但相关数据的管理未引起足够重视。对于突发性的恶臭事件，目前的检测方法主要存在两方面问题，一方面是对于恶臭事件的处理缺乏时效性，另一方面是很难对恶臭污染物进行溯源。现阶段对于透气井定期逐个人工检查工作量巨大，成本和代价十分高昂。而且郊外引电、引水困难，为检修和为维护工作带来困难。截至目前，由排水公司管理的特大型污水管道长度约200km，已建四大干线透气井约190座，管理养护单位对透气井维护工作量极大，这对透气井异味问题实施“及时监测、实时预警、精确溯源、有效管理”有一定的影响[2]。因此，建立一个基于NB-IoT的透气井监测预警系统，对于保障透气井排气、补气功能，确保污水输送管线运行安全甚为必要。

1 NB-IoT技术简介

物联网是在网络基础上扩充和拓展的一个网络，利用某种感应器，根据预先规定的内容把一切信息连接起来，完成定位、追踪、辨识和控制等工作。采用蜂窝的NB-IoT系统仅仅只消耗了180kHz的宽带，因此可以直接安装在GSM网络、UMTS网络或LTE网上，极大程度上减少了建设成本。NB-IoT基本特点如下[3]。

1.1 广覆盖

NB-IoT是凭借运营商的蜂窝系统网络，在相同频率下，NB-IoT将比当前GSM系统网络增加20dB的增益，覆盖范围也增加了10倍，同时期望可以覆盖到地下车库、地下室、地下管道等地面通信系统网络无法达到的区域。

1.2 大连接

在物联网应用中，直接利用现有的蜂窝网络容易造成网络负荷过高，NB-IoT在现有的蜂窝网络上进行优化，使200kHz的频率可以提供10万个连接，具有海量设备连接能力。

1.3 低功耗

综合eDRX与PSM的省电技术、省电模式特点，NB-IoT成功地把功耗降低了，把电池使用寿命延长了，因此，在某种特定的工况下，5号电池不充电情况下既可使得NB-IoT工作达到10年之久。

1.4 低成本

就成本管理角度而言，绝大多数的企业心理期望接连模块和芯片价格降价。随着物联网全国范围部署，单个模组价格因物联网网络大规模部署而降至较低水平，因此，终端设备大量接入实现了低成本时代。

2 电子鼻恶臭在线监测系统简介

电子鼻恶臭在线监测系统由主机、数据传输仪、气象五参数仪、保护箱及数据处理中心等部分构成；内置3个电化学传感器、1个光离子传感器（413s）及4个采用微电子机械芯片校准技术的金属氧化物传感器；监测指标为无量纲臭气浓度值、有机挥发物总量（413s）、氨气（NH3），硫化氢（H2S），甲硫醇（CH4S），也可以根据需求进行电化学类型更换[4]。电子鼻恶臭在线监测系统监测原理如下：

（1）监测仪由不同种类的传感器混合排列而成，传感器主要类型至少有3个方面共计8类，分别为4类微机电金属氧化物传感器、1类PID光离子检测器及3类电化学传感器。

（2）气敏半导体金属氧化物传感器须是独特的MEMSMOS微机电系统气敏半导体金属氧化物技术，提高气体采集的灵敏度及信号，从而提高检测限及监测精度，舱体机构体积不超过2ml。

（3）4类MEMS-MOS微机电系统气敏半导体金属氧化物可以同时响应同时工作。

（4）每类传感器可独立插拔，可独立校准与更换，传感器舱体采用不锈钢无腐蚀材质技术。

（5）具有样品进样全自动控制、过滤零气、传感器自动清洗、处理和分析数据信息、数据信息传输、现场查看数据以及数据通过无线发送至后台监控平台等全过程功能。

3 系统架构

本研究通过利用定制恶臭在线监测系统及其配套的物联网数据平台，实现透气井的实时监测及分析，包括评估现场传感器是否能长期使用于透气井的工况环境、数据采集传输方式、云平台数据中心及终端可视化界面设计等[5]。通过直接固定安放在现场，抓关键时间段有选择性地进行高效监控，并在后台可以对数据进行分析。该系统具有NB-IoT移动物联网接入，可实时进行远程监测，具备环境气体在线监测功能，通过无量纲臭气浓度值、硫化氢、氨气、甲硫醇、TVOC实现对网络环境信息的采集，通过移动物联网传输到云平台，通过大数据中台进行数据化可视化分析及管理。

4 气体检测方案

利用符合标准的固定值和平均浓度动态值的多种评价方法，将其集成于本系统，用于透气井恶臭污染程度评估、排放超标统计，同时本系统具备排除报警干扰、避免误报警功能、高浓度预警功能等。在监控范围内能实现恶臭气体全方位监控，并实时采集恶臭气、H₂S/NH3、VOC等浓度数据和气象指数数据[6]。此外，本系统还可以查询历史任何时间段内浓度数据信息，并且系统参数一旦设置后，当停电断开电源时，本系统具备自动保存数据信息，当接入电源，自动进入该工况采集工作状态，在透气井气体超标后，本系统将发出预警信号并进入采样取样工作流程中，样品取样后将在实验室根据其特征因子进行定性辨识或者人工嗅辨。

5 研究方法及步骤

5.1 研究方法

本文研究主要采用实验法，基于NB-IoT透气井监测预警系统通过典型环境搭建硬件，结合软件计算机气体识别神经算法（深度学习语义分割技术）监测透气井内的有毒有害气体，计算数据，得到研究结果。基于此思想，通过在线监测设备、气象五参数监测、智能仪表、物联网平台联合工作实现井下数据采集互联，并利用电子鼻监测设备、窄带IOT定时将透气井内气体数据保存至网络服务器中，监测预警系统软件实施监测，根据软件预设阈值要求，触发报警动作。

5.2 研究步骤

本研究主要分为准备阶段、实施阶段、总结阶段三个阶段。准备阶段为气体识别神经算法前期准备，开发监测预警系统软件，定时采集不同条件、水位及各种气体组合下的照片，制作可用于训练的数据集；实施阶段为气体识别神经算法的实现、气体检测软件的开发、输出控制的实现。气体识别神经算法分为模型设计、神经网络选择、模型训练、推理验证与模型调整[7]。气体检测软件的开发分为界面开发、模型调用加速优化、输出控制开发。输出控制的实现分为输出信号实现与输入信号的实现；总结阶段为气体检测软件数据复核、功能反馈、运行管理。数据复核主要为检测到的有毒有害气体复核、定时透气井气体采集率的复核。功能反馈包括甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳的采集与存储，检测软件可视化功能的正常运行，操作按钮的正常运行，运算控制器的正常输出。

6 系统构建

本系统硬件、终端设计要兼顾低功耗特点，系统的终端设备不仅要放置于井盖内侧，而且也要适应于井内的恶劣环境；鉴于城市透气井的密封性结构，造成终端部分的硬件不易拆换，在选取终端部分的芯片时要格外注意其选型，结合实际情况，本系统终端的硬件结构框架图如图1所示。

图1 系统终端硬件电路设计结构框架图

主控模块是本系统最重要的关键部分，其组成主要包括MCU（微控制单元）芯片的外围电路、与其他外设模块连接的通信设计。鉴于低成本和低功耗的设计要求，本系统选取STM32L型号的系列单片机作为主控芯片，选取W25Q128FVSIG作为本系统的存储芯片。由于客户端监控网页的设计属于物联网的应用层，其主要接收传输层数据信息，并对数据信息进行处理、计算和知识挖掘，从而客户或管理人员便可以直观地看到被测对象的当下状态，实现对整个系统的监控、管理和科学决策。

7 系统应用

鉴于谈家桥透气井位于合流一期干线，代表性强，同时其下游紧邻彭越浦泵站，水泵启停与测量到的臭气浓度数值关联性强，便于后期分析，且谈家桥仓库施工方便，水电取用便捷，经深入分析并结合实际情况，选取谈家桥透气井作为本文研究对象，采集谈家桥透气井数据，并通过本系统进行数据处理、分析，其基于NB-IoT的透气井监测预警系统登入界面和应用界面。

8 结论及建议

本系统通过加装电子鼻设备，并基于NB-IoT物联网、大数据技术和云计算平台，实现了谈家桥透气井恶臭污染排放在线监测、预警和追踪溯源功能，为下一步透气井恶臭污染排放管理研究提供了一定的经验和基础，但是通过本系统在谈家桥透气井应用中发现，电子鼻将设置在化学滤料之后，符合标准的可选位置比较多，而单一点位的透气井监测预警系统功能，其透气井内环境恶劣，电子鼻极容易损坏，因此本研究暂未在透气井内设置，待后期功能逐步完善时另行考虑。