基于NB-IoT技術的天然氣管道泄漏監測系統

路敬祎 王志橋 彭朝霞 錢穎

基金項目：黑龍江省自然科學基金（批準號：LH2020F005）資助的課題；海南省自然科學基金（批準號：623MS071）資助的課題。

作者簡介：路敬祎（1977-），副教授，從事人工智能在油氣井地面工程中的應用研究，ljywdm@126.com。

引用本文：路敬祎，王志橋，彭朝霞，等.基于NB？鄄IoT技術的天然氣管道泄漏監測系統［J］.化工自動化及儀表，2024，

51（2）：222-226.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402011

摘 要 為了對天然氣管道運行情況進行實時監測，在發生泄漏時能夠及時做出反應，設計了基于NB-IoT技術的天然氣管道泄漏監測系統。系統利用壓力變送器、DHT11溫濕度傳感器和GPS/北斗定位系統分別對管道的內部壓力、設備周圍的溫濕度和經緯度位置進行采集，將采集的數據通過STM32控制NB-IoT物聯網模塊上傳至OneNET物聯網云平臺，最終通過云平臺對天然氣管道進行實時監測。實驗表明：該系統能夠對天然氣管道的數據進行實時上傳，能夠通過云平臺進行天然氣管道狀態的實時監測。

關鍵詞 NB-IoT技術 物聯網 云平臺 天然氣 管道泄漏監測

中圖分類號 TP274?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 1000-3932（2024）02-0222-05

全世界各國的化工石油行業都采用了一種經濟而重要的傳輸形式——管道運輸［1］。但由于氣候環境因素或者其他人為原因，影響了管道的安全平穩運行，導致天然氣輸送管道泄漏事故時有發生，進而引發火災事故。因此天然氣輸送管道的安全保護、泄漏監測成為不可忽視的問題。

在管道管理需要向更好的方向改變的時代，物聯網是最適應的方法［2］。物聯網技術有效地提升了天然氣中游儲存和運輸的效率［3］。劉海磊通過STM32模塊完成了對采集數據的處理和存儲，最后通過窄帶物聯網（NB-IoT）遠程通信技術實現了數據到云平臺的傳輸，但未實現可視化云平臺監控數據［4］。左磊等使用NB-IoT技術對天然氣管道及其附屬構筑物傾角、周圍土壤環境穩定性進行監測，雖具有較高的環境監控性能，但并未實現管道內部壓力情況的實時監測［5］。

把物聯網云平臺技術應用在天然氣管道泄漏監測系統可以極大地提升系統的效率和準確率，節省人力成本，實現各個信息資源更加緊密地聚合、輸送、發散。筆者結合“萬物互聯”的思想，設計了一款基于NB-IoT技術的天然氣管道泄漏監測系統，其成本較低又便于管理和控制，能夠及時準確報告事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經濟損失和環境污染。

1 系統總體結構

根據物聯網系統架構，將設計的天然氣管道泄漏監測系統分為感知層、網絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

感知層主要由設備硬件、傳感器與監測儀和感知對象構成。設備硬件通過傳感器與監測儀對管道的壓力、溫度、濕度和設備的位置信息進行采集，然后經過整合后將數據傳至網絡層。網絡層主要由蜂窩網絡和網絡通信協議構成。MCU主控模塊采用NB-loT物聯網通信技術進行數據上傳，通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）網絡通信協議最終將管道數據上傳至云平臺層。平臺層主要由連接管理平臺、設備管理平臺和應用使能平臺構成。本系統主要基于OneNET物聯網云平臺進行功能的實現。應用層主要由實時監測管理、智能調度、數據處理和數據轉存構成，用戶可以使用電子設備終端通過云平臺對管道數據進行實時監測。

2 系統硬件設計

系統的硬件總體設計分為MCU主控模塊、電源供電模塊、信號采集模塊和NB-IoT無線傳輸模塊，如圖2所示。

2.1 MCU主控模塊

MCU主控模塊主要由主控電路及相關外圍電路、RTC供電電路和OLED顯示屏接口電路構成。主控芯片選用的是超低功耗系列的STM32L151RCT6作為信號處理單元，該芯片以Cortex-M3為內核，具有高穩定性、高運算和數據處理能力［5］。MCU主控模塊主要用于通過控制信號采集模塊對管道數據進行采集，并對數據進行分析、顯示和打包，然后通過控制NB-IoT無線傳輸模塊將天然氣管道數據上傳至物聯網云平臺。

2.2 電源供電模塊

電源供電模塊主要由EMC電源防護電路和兩級穩壓電路構成。電源作為整個系統運行的基礎，保證電源供電的安全穩定運行是整合系統運行的關鍵［6］。本設計中整個系統設備采用12/24 V電源供電，首先通過EMC電源防護電路能夠使系統實現防雷擊與防靜電，保護主控電路及整個設備，然后通過第1級開關電源穩壓電路將電壓從12 V降至5 V，再通過線性電源穩壓電路將電壓從5 V降至3.3 V，最終為整個硬件設備供電，通過兩級穩壓電路既降低了完全使用開關電源電路的功耗損失，又避免了線性穩壓電源在壓差過大的情況下產生的過高溫度現象，使系統電源部分的安全運行得到了保證。

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊主要由壓力變送器、RS-485通信電路、溫濕度傳感器電路和GPS/北斗定位器構成。NB-IoT芯片BC20中集成了GPS/北斗定位系統。溫濕度傳感器采用DHT11數字傳感器，這是一款內部集成了溫濕度采集和數字信號輸出的復合傳感器，其采用的單線串行方式具有連接簡單、采集方便的特點。壓力變送器采用國產星儀CYYZ18型傳感器，其信號輸出為RS-485數字信號，量程范圍0～3.5 MPa，測試精度0.25%FS。為了接收壓力變送器信號設計了RS-485通信電路，電路采用了MAX3485EESA芯片將串口電平轉換成RS-485接口電平。

2.4 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT無線通信模塊主要由BC20芯片電路、串口電平轉換電路、SIM卡槽電路和天線接口電路構成。本設計采用集成NB-IoT和GNSS雙系統的BC20無線通信模塊，該芯片不僅能夠使用NB-IoT進行數據上傳，而且能夠用全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）進行設備的定位，因此RF_ANF為NB-IoT天線接口，GNSS為定位系統天線接口。由于BC20芯片的串口電壓為1.8 V，而STM32單片機的串口電壓為3.3 V，使用串口電平轉換電路使兩個串口電平相同，實現數據的交換。由于NB-IoT模塊電路使用的是蜂窩網絡，需要使用特定的數據卡，因此需要對SIM卡槽電路進行設計。

3 系統軟件設計

本系統的軟件程序主要對STM32單片機進行編程控制，程序運行的步驟如下：

a. 系統初始化，包括系統時鐘初始化、串口初始化、定時器初始化、OLED顯示屏初始化、DHT11溫濕度傳感器初始化、RS-485初始化、NB-IoT模塊復位上電初始化以及激活GPS/北斗定位功能。

b. 設備終端入網，由于NB-IoT沒有自動激活分組數據協議（PDP）的功能，因此需要主控芯片通過UART2發送AT命令激活PDP上下文，使設備終端登錄到PS域，從而實現網絡間的數據流通。

c. 云平臺注冊，通過AT命令在OneNET物聯網云平臺進行注冊。

d. 判斷設備是否激活網絡及注冊OneNET物聯網云平臺，若沒有則需要重新進行網絡激活和云平臺注冊，若已經完成則進行下一步。

e. 管道信號采集，包括主控芯片控制UART1通過Modbus-RTU通信協議獲取RS-485總線上的管道壓力數據，讀取設備周圍的溫濕度數據并獲取設備的經緯度位置信息。

f. 數據上傳至云平臺，主控芯片將獲取的數據進行JSON打包，并使用AT命令控制NB-IoT模組通過MQTT協議將數據上傳至云平臺，重復步驟e、f，保持數據的上傳。

4 系統功能與實現

根據第2章節進行電路的印刷電路板（PCB）設計，硬件的PCB圖如圖3所示。通過工廠生產對電路板進行焊接與調試，完成系統的下位機硬件設計，為上位機軟件提供了硬件基礎。

基于NB-IoT技術的天然氣管道泄漏監測系統在東北石油大學天然氣管道實驗室建立，實驗平臺管道為不銹鋼材質的DN 80管道，實驗室可以對天然氣管道的運行情況進行模擬實驗。為了對本系統進行功能檢驗，將壓力變送器安裝在管道上對管道內部的壓力進行監測，與此同時利用設備帶有溫濕度傳感器和GPS/北斗定位的功能，對管道周圍的溫濕度情況和設備所在的經緯位置信息進行采集［2］，壓力變送器的實際管道安裝圖和設備接線圖如圖4所示。

本設計采用OneNET物聯網云平臺，能夠滿足物聯網領域設備連接協議適配、數據存儲、數據安全及大數據分析等平臺級服務需求［7］。打開并登錄OneNET物聯網云平臺，使用平臺中增值服務的數據可視化View功能對數據可視化平臺進行設計，設計了系統上位機可視化大屏（圖5）。在監測大屏的左上角顯示了管道監測設備數量及設備上的傳感器數量；在監測大屏的右上角顯示了當地目前的時間與天氣狀況，并對系統公告進行了顯示，工作人員可以針對系統發出公告；在監測大屏的下方顯示了4臺設備的管道壓力、溫度、濕度實時數據，每組數據顯示了兩臺設備，最左邊一列為壓力數據展示，中間為溫度數據展示，最右邊一列為濕度數據展示，每個曲線圖中含有兩臺設備，曲線圖后面的實時數據表則選取了設備1和設備3的數據進行顯示；監測大屏的中間為地圖，實時顯示4臺設備的實時位置。

5 結束語

筆者設計并實現了基于NB-IoT的天然氣管道泄漏監測系統，該系統能夠通過信號采集模塊將溫度、濕度、壓力和定位數據收集到OneNET物聯網云平臺，并實現電子設備終端的可視化數據查看，以便工作人員高效、便捷地理解并掌握管道泄漏情況，便于及時處理。該設計為物聯網管道監測系統的建設提供了一定的參考價值，可在環境監測領域進行大力推廣和應用。

參 考 文 獻

［1］ 胡煒杰，熊碧波，韋君婷，等.油氣管道泄漏在線監測技術研究［J］.管道技術與設備，2022（5）：33-37.

［2］ DORAN K，ELECTRIC S.The internet of things：A necessity for pipeline management［J］.Pipes & Pipelines International，2017（33）：16-17.

［3］ 韓林元，姜慧春.物聯網技術在天然氣管道行業的運用研究［J］.化工管理，2020（1）：153-154.

［4］ 劉海磊.城市環境下天然氣管道泄漏的監測系統［J］.物聯網技術，2021，11（11）：16-17；21.

［5］ 左磊，王震，鄭顯豐，等.基于NB-IoT技術的天然氣管道安全監控系統［J］.煤氣與熱力，2023，43（1）：12-16.

［6］ 王輝.基于可穿戴式設備的大學生體質健康監測系統設計［J］.自動化與儀器儀表，2023（1）：146-151.

［7］ 鞏博，馬濤，董潤峰，等.基于ZigBee技術的軍體館室內溫度自動監測和控制系統［J］.自動化與儀器儀表，2023（1）：152-156.

（收稿日期：2023-03-14，修回日期：2023-12-22）

Natural Gas Pipeline Leakage Monitoring System

Based on NB-IoT Technology

LU Jing-yi1a，1b，2， WANG Zhi-qiao1a，1b， PENG Zhao-xia1a，1b， QIAN Ying1a，1b

（1a. Sanya Offshore Oil & Gas Research Institute； 1b. School of Electrical and Information Engineering，

Northeast Petroleum University； 2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Networked and Intelligent Control ）

Abstract?? For purpose of monitoring natural gas pipelines at real time and responding to the leakage timely， a natural gas pipeline leakage monitoring system based on NB-IoT technology was designed， which has the pressure transmitter， DHT11 temperature and humidity sensor and the GPS/Beidou positioning system employed to collect the pipelines internal pressure， ambient temperature and humidity and the latitude and longitude position， respectively； then it has the data collected uploaded to the OneNET cloud platform via STM32 controlled-NB-IoT module so as to monitor the gas pipeline at real time through the cloud platform. Experiments show that， the system can upload the natural gas pipelines data at real time and monitor its status through the cloud platform.

Key words?? NB-IoT technology， IoT， cloud platform， natural gas， pipeline leakage monitoring