基于NB-IoT技术的天然气管道泄漏监测系统

路敬祎 王志桥 彭朝霞 钱颖

基金项目：黑龙江省自然科学基金（批准号：LH2020F005）资助的课题；海南省自然科学基金（批准号：623MS071）资助的课题。

作者简介：路敬祎（1977-），副教授，从事人工智能在油气井地面工程中的应用研究，ljywdm@126.com。

引用本文：路敬祎，王志桥，彭朝霞，等.基于NB？鄄IoT技术的天然气管道泄漏监测系统［J］.化工自动化及仪表，2024，

51（2）：222-226.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402011

摘 要 为了对天然气管道运行情况进行实时监测，在发生泄漏时能够及时做出反应，设计了基于NB-IoT技术的天然气管道泄漏监测系统。系统利用压力变送器、DHT11温湿度传感器和GPS/北斗定位系统分别对管道的内部压力、设备周围的温湿度和经纬度位置进行采集，将采集的数据通过STM32控制NB-IoT物联网模块上传至OneNET物联网云平台，最终通过云平台对天然气管道进行实时监测。实验表明：该系统能够对天然气管道的数据进行实时上传，能够通过云平台进行天然气管道状态的实时监测。

关键词 NB-IoT技术 物联网 云平台 天然气 管道泄漏监测

中图分类号 TP274   文献标志码 A   文章编号 1000-3932（2024）02-0222-05

全世界各国的化工石油行业都采用了一种经济而重要的传输形式——管道运输［1］。但由于气候环境因素或者其他人为原因，影响了管道的安全平稳运行，导致天然气输送管道泄漏事故时有发生，进而引发火灾事故。因此天然气输送管道的安全保护、泄漏监测成为不可忽视的问题。

在管道管理需要向更好的方向改变的时代，物联网是最适应的方法［2］。物联网技术有效地提升了天然气中游储存和运输的效率［3］。刘海磊通过STM32模块完成了对采集数据的处理和存储，最后通过窄带物联網（NB-IoT）远程通信技术实现了数据到云平台的传输，但未实现可视化云平台监控数据［4］。左磊等使用NB-IoT技术对天然气管道及其附属构筑物倾角、周围土壤环境稳定性进行监测，虽具有较高的环境监控性能，但并未实现管道内部压力情况的实时监测［5］。

把物联网云平台技术应用在天然气管道泄漏监测系统可以极大地提升系统的效率和准确率，节省人力成本，实现各个信息资源更加紧密地聚合、输送、发散。笔者结合“万物互联”的思想，设计了一款基于NB-IoT技术的天然气管道泄漏监测系统，其成本较低又便于管理和控制，能够及时准确报告事故的范围和程度，可以最大限度地减少经济损失和环境污染。

1 系统总体结构

根据物联网系统架构，将设计的天然气管道泄漏监测系统分为感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。

感知层主要由设备硬件、传感器与监测仪和感知对象构成。设备硬件通过传感器与监测仪对管道的压力、温度、湿度和设备的位置信息进行采集，然后经过整合后将数据传至网络层。网络层主要由蜂窝网络和网络通信协议构成。MCU主控模块采用NB-loT物联网通信技术进行数据上传，通过消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）网络通信协议最终将管道数据上传至云平台层。平台层主要由连接管理平台、设备管理平台和应用使能平台构成。本系统主要基于OneNET物联网云平台进行功能的实现。应用层主要由实时监测管理、智能调度、数据处理和数据转存构成，用户可以使用电子设备终端通过云平台对管道数据进行实时监测。

2 系统硬件设计

系统的硬件总体设计分为MCU主控模块、电源供电模块、信号采集模块和NB-IoT无线传输模块，如图2所示。

2.1 MCU主控模块

MCU主控模块主要由主控电路及相关外围电路、RTC供电电路和OLED显示屏接口电路构成。主控芯片选用的是超低功耗系列的STM32L151RCT6作为信号处理单元，该芯片以Cortex-M3为内核，具有高稳定性、高运算和数据处理能力［5］。MCU主控模块主要用于通过控制信号采集模块对管道数据进行采集，并对数据进行分析、显示和打包，然后通过控制NB-IoT无线传输模块将天然气管道数据上传至物联网云平台。

2.2 电源供电模块

电源供电模块主要由EMC电源防护电路和两级稳压电路构成。电源作为整个系统运行的基础，保证电源供电的安全稳定运行是整合系统运行的关键［6］。本设计中整个系统设备采用12/24 V电源供电，首先通过EMC电源防护电路能够使系统实现防雷击与防静电，保护主控电路及整个设备，然后通过第1级开关电源稳压电路将电压从12 V降至5 V，再通过线性电源稳压电路将电压从5 V降至3.3 V，最终为整个硬件设备供电，通过两级稳压电路既降低了完全使用开关电源电路的功耗损失，又避免了线性稳压电源在压差过大的情况下产生的过高温度现象，使系统电源部分的安全运行得到了保证。

2.3 信号采集模块

信号采集模块主要由压力变送器、RS-485通信电路、温湿度传感器电路和GPS/北斗定位器构成。NB-IoT芯片BC20中集成了GPS/北斗定位系统。温湿度传感器采用DHT11数字传感器，这是一款内部集成了温湿度采集和数字信号输出的复合传感器，其采用的单线串行方式具有连接简单、采集方便的特点。压力变送器采用国产星仪CYYZ18型传感器，其信号输出为RS-485数字信号，量程范围0～3.5 MPa，测试精度0.25%FS。为了接收压力变送器信号设计了RS-485通信电路，电路采用了MAX3485EESA芯片将串口电平转换成RS-485接口电平。

2.4 NB-IoT无线通信模块

NB-IoT无线通信模块主要由BC20芯片电路、串口电平转换电路、SIM卡槽电路和天线接口电路构成。本设计采用集成NB-IoT和GNSS双系统的BC20无线通信模块，该芯片不仅能够使用NB-IoT进行数据上传，而且能够用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）进行设备的定位，因此RF_ANF为NB-IoT天线接口，GNSS为定位系统天线接口。由于BC20芯片的串口电压为1.8 V，而STM32单片机的串口电压为3.3 V，使用串口电平转换电路使两个串口电平相同，实现数据的交换。由于NB-IoT模块电路使用的是蜂窝网络，需要使用特定的数据卡，因此需要对SIM卡槽电路进行设计。

3 系统软件设计

本系统的软件程序主要对STM32单片机进行编程控制，程序运行的步骤如下：

a. 系统初始化，包括系统时钟初始化、串口初始化、定时器初始化、OLED显示屏初始化、DHT11温湿度传感器初始化、RS-485初始化、NB-IoT模块复位上电初始化以及激活GPS/北斗定位功能。

b. 设备终端入网，由于NB-IoT没有自动激活分组数据协议（PDP）的功能，因此需要主控芯片通过UART2发送AT命令激活PDP上下文，使设备终端登录到PS域，从而实现网络间的数据流通。

c. 云平台注册，通过AT命令在OneNET物联网云平台进行注册。

d. 判断设备是否激活网络及注册OneNET物联网云平台，若没有则需要重新进行网络激活和云平台注册，若已经完成则进行下一步。

e. 管道信号采集，包括主控芯片控制UART1通过Modbus-RTU通信协议获取RS-485总线上的管道压力数据，读取设备周围的温湿度数据并获取设备的经纬度位置信息。

f. 数据上传至云平台，主控芯片将获取的数据进行JSON打包，并使用AT命令控制NB-IoT模组通过MQTT协议将数据上传至云平台，重复步骤e、f，保持数据的上传。

4 系統功能与实现

根据第2章节进行电路的印刷电路板（PCB）设计，硬件的PCB图如图3所示。通过工厂生产对电路板进行焊接与调试，完成系统的下位机硬件设计，为上位机软件提供了硬件基础。

基于NB-IoT技术的天然气管道泄漏监测系统在东北石油大学天然气管道实验室建立，实验平台管道为不锈钢材质的DN 80管道，实验室可以对天然气管道的运行情况进行模拟实验。为了对本系统进行功能检验，将压力变送器安装在管道上对管道内部的压力进行监测，与此同时利用设备带有温湿度传感器和GPS/北斗定位的功能，对管道周围的温湿度情况和设备所在的经纬位置信息进行采集［2］，压力变送器的实际管道安装图和设备接线图如图4所示。

本设计采用OneNET物联网云平台，能够满足物联网领域设备连接协议适配、数据存储、数据安全及大数据分析等平台级服务需求［7］。打开并登录OneNET物联网云平台，使用平台中增值服务的数据可视化View功能对数据可视化平台进行设计，设计了系统上位机可视化大屏（图5）。在监测大屏的左上角显示了管道监测设备数量及设备上的传感器数量；在监测大屏的右上角显示了当地目前的时间与天气状况，并对系统公告进行了显示，工作人员可以针对系统发出公告；在监测大屏的下方显示了4台设备的管道压力、温度、湿度实时数据，每组数据显示了两台设备，最左边一列为压力数据展示，中间为温度数据展示，最右边一列为湿度数据展示，每个曲线图中含有两台设备，曲线图后面的实时数据表则选取了设备1和设备3的数据进行显示；监测大屏的中间为地图，实时显示4台设备的实时位置。

5 结束语

笔者设计并实现了基于NB-IoT的天然气管道泄漏监测系统，该系统能够通过信号采集模块将温度、湿度、压力和定位数据收集到OneNET物联网云平台，并实现电子设备终端的可视化数据查看，以便工作人员高效、便捷地理解并掌握管道泄漏情况，便于及时处理。该设计为物联网管道监测系统的建设提供了一定的参考价值，可在环境监测领域进行大力推广和应用。

参 考 文 献

［1］ 胡炜杰，熊碧波，韦君婷，等.油气管道泄漏在线监测技术研究［J］.管道技术与设备，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］ 韩林元，姜慧春.物联网技术在天然气管道行业的运用研究［J］.化工管理，2020（1）：153-154.

［4］ 刘海磊.城市环境下天然气管道泄漏的监测系统［J］.物联网技术，2021，11（11）：16-17；21.

［5］ 左磊，王震，郑显丰，等.基于NB-IoT技术的天然气管道安全监控系统［J］.煤气与热力，2023，43（1）：12-16.

［6］ 王辉.基于可穿戴式设备的大学生体质健康监测系统设计［J］.自动化与仪器仪表，2023（1）：146-151.

［7］ 巩博，马涛，董润峰，等.基于ZigBee技术的军体馆室内温度自动监测和控制系统［J］.自动化与仪器仪表，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