CN110185940A - 一种燃气管道泄漏监测与定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气管道泄漏监测与定位***。该***由泄漏监测子***和泄漏定位子***两部分构成。发生燃气管道泄漏后，首先泄漏监测子***会向监测平台发送报警信息，并显示泄漏的大致区域；然后检测人员在泄漏区域内利用可移动的泄漏定位子***进行泄漏点的精确定位，定位结果本地实时显示并上传监测平台。泄漏监测子***和泄漏定位子***共用一个监测平台，可以实现检测节点的管理、数据的实时显示、泄漏报警、燃气泄漏范围显示、泄漏点位置显示及自动的短信提醒等功能。本发明采用监测子***和定位子***相结合的方式实现燃气管道泄漏的实时监测与精确定位，具有安装方便、覆盖距离远、实时性能好、定位精确等优点，适合推广应用。

Description

一种燃气管道泄漏监测与定位***

技术领域

本发明涉及燃气管道监测领域，具体是一种燃气管道泄漏监测与定位***。

背景技术

燃气输送管道在生产制作过程中难免会存在一些缺陷，长时间使用后，会因为输送气体的温度过高和在腐蚀的环境中，最终导致管道的破损泄漏事故的发生，造成难以承受的经济损失和能源损失，甚至对人员的生命安全造成威胁，燃气管道深埋地下，及时地发现泄漏并确定泄漏点的位置成为发生泄漏后的首要问题。因此，研究城市输气管道泄漏故障实时诊断技术，迅速发现泄漏事故并准确定位，及时采取有效措施，保证城市燃气管网的安全运行是非常重要的。

目前传统的燃气泄漏检测大多采用负压波法，利用管道瞬态模型，采用流量报警、压力定位，以及流量与压力综合分析的传统报警、定位，通过压力传感器、声波传感器等传感器来监测燃气泄漏情况，这类市场形式单一，与物联网的结合程度不高。

现有的燃气泄漏检测定位方法主要是一些间接的检测定位，包括泄漏检测电缆法、流量平衡法、负压波法等。泄漏检测电缆法是在燃气管道外壁敷上对可燃气体敏感的高聚物电缆对泄漏检测，该方法的不足之处是不能检测到缓慢的泄漏，并且成本太高。流量平衡法是通过检测燃气管道入口及出口处的流量，然后根据输入、输出流量的平衡与否，即可判断出管道燃气泄漏与否，其原理简单、易于执行，但无法实现泄漏点的定位。燃气管道泄漏检测互相关法是利用二次互相关时延估计法原理进行泄漏点定位，即通过在某一确定长度的管道首尾端安装两个应力波传感器装置，计算两传感器接收到应力波的时间差，来定位泄漏点，但对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏，定位误差较大。这些传统的检测定位方法都存在各自的不足和局限之处，使得燃气管道泄漏的检测定位不不够及时与准确，给检修人员带来极大的不便。

本***提出了一种基于传感器阵列的燃气管道泄漏次声源定位算法。该定位算法采用三阵列的传感器对泄漏点产生的次声波信号进行检测，利用检测节点和泄漏点之间位置上的几何关系，对泄漏点进行定位，极大提高了泄漏点的定位精度。

本***利用LoRa和NB-IOT无线通信技术相结合，构建了燃气管道泄漏监测与定位的网络体系。这两种无线通信技术都是低功耗广域网技术(Low-PowerWide-Area Network,LPWAN)的典型代表，具有覆盖范围广、功耗低和成本低等特点，非常适合在管道监测中应用。LPWAN技术作为专为物联网应用而设计的无线通信技术，与传统的WiFi、ZigBee、蓝牙等无线通信技术相比，具有低功耗、低带宽、低成本、远距离、网络容量大等优点，适用于电池供电的远距离、小数据量发送的物联网设备。

LoRa技术是一种既可以远距离传输，距离可达到数千米，又可以低功耗，多节点的一种新型物联网无线电调制解调通信技术。其具有覆盖广、功耗低、容量大、抗扰特性强、数据传输更可靠、支持测距和定位等优点。

基于蜂窝的窄带物联网(NB-IOT)是低功耗广域物联网(LPWAN)网络的一个重要分支，是实现万物互联网络的重要组成部分。NB-IOT以其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点为各种物联网***提供合适的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗、可靠性高、定位精确、可远程实时查看的燃气管道泄漏监测与定位***；该***利用先进低功耗控制芯片、高精度传感器、低功耗无线通信网络，采用传感器阵列对泄漏次声源进行定位，可以解决目前燃气管道泄漏监测的网络构建不经济、不便利、定位不精确的问题。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种燃气管道泄漏监测与定位***，由泄漏监测子***和泄漏定位子***两部分构成，可实现燃气泄漏区域报警，并在区域报警的基础上对泄漏点进行准确定位。本***利用最新的LPWAN(低功耗广域网)的NB-IOT技术以及LoRa技术，将底层数据实时传送给云平台，具有成本低、组网方便快捷、实时泄漏报警、泄漏点定位精确的优点。

本发明所述的泄漏监测子***，主要由感知层、网络层、应用层组成。

本发明所述的感知层特征在于：主要由检测节点构成，检测节点主要由燃气传感器MQ5、STM32F103C8T6处理器、LoRa无线通信模块SX1278和电源模块组成，在管道附近不同位置设置传感器，且各个传感器位置固定，通过传感器可获知燃气泄漏信息，实现燃气泄漏的检测及泄漏区域锁定。

本发明所述的网络层特征在于：主要由汇聚节点构成，通过组建的LoRa与NB-IOT相结合的网络体系，利用LoRa技术将检测节点的数据传输给汇聚节点，利用NB-IOT技术将汇聚节点上传至监测平台，完成检测节点数据的汇聚和上传。汇聚节点主要包括控制芯片、LoRa无线通信模块、NB-IOT无线通信模块和电源模块。其中控制芯片采用STM32F103C8T6，LoRa无线通信模块采用SX1278，NB-IOT无线通信模块采用NB101。

本发明所述的应用层特征在于：主要是监测管理平台，为用户提供交互界面，解决各探测点快速组网、敏捷连接的问题，可实现数据的可靠传输和智能汇聚、检测节点的管理、数据的实时显示、泄漏报警、燃气泄漏范围显示、泄漏点位置显示、数据查询及自动的短信提醒等功能

本发明所述的泄漏定位子***特征在于：由可移动的次声波传感器阵列和汇聚节点构成。传感器阵列由三个传感器节点组成，每个节点由次声波传感器、STM32F103C8T6、LoRa模块构成，用来采集泄漏时次声波信号，并进行去噪处理，然后通过LoRa模块上传至汇聚节点；汇聚节点主要由STM32F103C8T6处理器、LoRa模块、NB-IOT模块、显示电路构成，实现传感器阵列数据的汇聚处理，并进行泄漏源定位，最后将定位结果本地显示，并上传监测平台。

本发明所述的泄漏定位子***特征在于：利用泄漏时的次声波特性进行定位，在泄漏源附近布置传感器阵列采集同一次声源的次声波信号，根据同一次声源到达阵列中各点时间不同，求出各点间的信号到达时间差(时间延迟)，再根据各点与次声源之间位置上的几何关系来实现定位。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)安装方便

本发明的泄漏监测子***安装极为方便，只要将产品装上电池，将检测节点放置在管道附近，一段距离放置一个检测节点，然后一定范围再布置一个汇聚节点即可开始工作。

(2)组网方便

***采用LoRa和NB-IOT两种低功耗广域无线通信网技术，监测节点和汇聚节点开机后会自动组网，如果监测节点没有入网，则会周期性发送组网数据包，直到组网成功。

(3)使用方便

用户可远程登录物联网监测平台，实时查询管道泄漏信息，报警信息除了在平台显示外，还采用短信方式发送，简单易用。

(4)功耗低可靠性强

监测节点和汇聚节点的主控芯片均采用抗干扰性强的低功耗微处理器STM32F103C8T6，其无线通信芯片也是低功耗模块。

(5)定位精确

泄漏定位子利用泄漏时产生的次声波特性，利用检测节点和泄漏点之间位置上的几何关系，对泄漏点进行定位，极大提高了泄漏点的定位精度。

附图说明

图1为：一种燃气管道泄漏监测与定位***的总体结构图。

图2为：一种燃气管道泄漏监测与定位***的泄漏监测子***组成框图。

图3为：一种燃气管道泄漏监测与定位***的泄漏定位子***组成框图。

图4为：一种燃气管道泄漏监测与定位***的定位算法示意图。

图5为：一种燃气管道泄漏监测与定位***的监测平台功能图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实现方案分三个部分：

(1)泄漏监测子***方案

本发明的检测节点众多，布置在燃气管道附近，一段距离布置一个，用来监测燃气泄漏情况。检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、MQ5燃气传感器、SX1278 LoRa无线通信芯片和电源电路组成。产品设计外观可以多种多样，比如设计成圆帽型，外披铜帽作为LoRa无线通信模块的天线。检测节点采用9V方形电池供电，经电源电路降压至3.3V供给单片机工作。装入电池后监测节点自动开机，初始化完成后发送组网数据到汇聚节点，汇聚节点接收到监测节点的组网数据包后，下行汇聚节点设备地址和监测节点入网顺序编号到监测器，自动完成匹配组网流程。

本发明的泄漏监测子***汇聚节点，采用STM32F103C8T6控制芯片、SX1278 LoRa无线通信模块和NB101 NB-IOT无线通信模块和电源模块，实现LoRa和NB-IOT GSM相结合的网络体系。在燃气管道一定范围内布置一个汇聚节点，，汇聚节点需要***NB-IOT专用SIM卡，开机初始化完成后自动搜网入网，通过LoRa无线通信模块接收监测节点发送的数据包，与监测节点间完成组网，接收监测节点传送的信息，并通过NB-IOT无线通信模块上传至燃气管道监测平台。

(2)泄漏定位子***方案

本发明所述的泄漏定位子***是在监测子***报警的基础上使用的。在报警的区域内布置泄漏定位子***，将泄漏定位子***的三个传感器间隔2米左右布置成三角形阵列，将汇聚节点距离三角形阵列中心点4米左右布置。

本发明的泄漏监测子***传感器阵列由STM32F103C8T6主控芯片、次声波传感器、SX1278 LoRa无线通信芯片和电源电路组成。采用9V方形电池供电，经电源电路降压至3.3V供给单片机工作。本发明的泄漏监测子***汇聚节点，采用STM32F103C8T6控制芯片、SX1278 LoRa无线通信模块、NB101 NB-IOT无线通信模块、电源模块和显示电路，实现传感器阵列数据的汇聚处理，并进行泄漏源定位，最后将定位结果本地显示，并上传监测平台。

(3)燃气管道监测平台方案

燃气管道监测平台在***物联网开放平台One-Net上构建，将汇聚节点数据信息通过NB-IOT模块接入One-Net，实现组网远程监控，One-Net平台实现数据转发和存储，从而实现由监控端—云平台—监测节点组成的远程监控物联网架构。

整个数据上传过程包括以下几个步骤：

1)创建产品。在云平台上创建注册自己的产品，有了一个数据上传中心。

2)注册设备。一般都是指现场RTU接入的产品，但实际上数据是从自己本地的服务器上传过去的，相当于本地服务器上的数据上传程序充当虚拟产品，往云平台推送数据。

3)数据上传软件部分。选择了C++中的SOCKET通信，向云平台发送HTTP协议的数据上传报文。

燃气管道监测平台为用户提供人机交互界面，从而解决了各探测点快速组网、敏捷连接的问题，实现了数据的可靠传输和智能汇聚的功能。***网络平台可以实现燃气泄漏监测***检测节点的管理、数据的实时显示、燃气泄漏范围显示、泄漏报警、数据查询及自动的短信提醒功能，

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃气管道泄漏监测与定位***，其特征在于：主要由泄漏监测子***和泄漏定位子***两部分构成。发生燃气管道泄漏后，首先泄漏监测子***会向监测平台发送报警信息，并显示泄漏的大致区域；然后检测人员在泄漏区域内利用可移动的泄漏定位子***进行泄漏点的精确定位，定位结果本地实时显示并上传监测平台。

2.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄漏监测与定位***，其特征在于：所述的燃气泄漏监测子***由检测节点和汇聚节点构成。检测节点主要由燃气传感器、STM32F103C8T6处理器和LoRa模块组成，安装在燃气管道附近，实现燃气泄漏的检测，并将数据上传至汇聚节点；汇聚节点主要由STM32F103C8T6处理器、LoRa模块和NB-IOT模块组成，实现检测节点数据的汇聚，并通过NB-IOT网络将数据上传至监测平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于燃气管道泄漏监测与定位***，其特征在于：所述的燃气泄漏定位子***由可移动的传感器阵列和汇聚节点构成，利用泄漏时的次声波特性，对泄漏次声源进行精确定位。传感器阵列由三个传感器节点组成，每个节点由次声波传感器、STM32F103C8T6、LoRa模块构成，用来采集泄漏时的次声波信号，并进行去噪处理，然后通过LoRa模块上传至汇聚节点；汇聚节点主要由STM32F103C8T6处理器、LoRa模块、NB-IOT模块和显示电路构成，实现传感器阵列数据的汇聚处理，进行泄漏源定位，最后将定位结果本地显示，并上传监测平台。

4.根据权利要求1所述的一种基于燃气管道泄漏监测与定位***，其特征在于：所述的监测平台为泄漏监测子***和泄漏定位子***共用，监测平台实现数据的接收，并为用户提供交互界面，可实现检测节点的管理、数据的实时显示、泄漏报警、燃气泄漏范围显示、泄漏点位置显示、数据查询及自动的短信提醒等功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于燃气管道泄漏监测与定位***，其特征在于：所述的无线通信网络体系包括LoRa和NB-IOT两种低功耗广域网无线通信技术，该网络体系利用LoRa技术实现监测节点的数据传输和汇聚，利用NB-IOT技术实现汇聚节点数据的上传。这种网络体系即可实现数据实时传输，又可节约成本，且组网方便快捷。