CN103326939A

CN103326939A - 一种基于4g的输油管道远程安全监测智能网关

Info

Publication number: CN103326939A
Application number: CN2013102735421A
Authority: CN
Inventors: 金仁成; 杨磊; 王震; 王立鼎; 刘冲
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供了一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，主要用于输油管道远程安全监测系统中。此网关主要由微处理器、4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、电源模块、电源接口防雷模块等组成，其中网关能够通过4G模块实现数据的快速转发。两路ZigBee模块，分别作为两个不同网络的协调器，均采用链状方式组网，增加了网关利用率。北斗定位模块一方面能够快速定位输油管道泄漏位置以及提供准确的实时时钟，另一方面能够给远程控制中心发送短报文信息，报告传感节点或网关的运行状态。语音控制模块能够便于控制中心工作人员通过语音方式与网关进行信息交互。此网关具有实时、快速高效、智能等特点，能有效的实现输油管道安全的远程监测。

Description

一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关

技术领域

本发明涉及一种输油管道远程安全监测网关，尤其涉及一种利用4G、ZigBee、北斗定位、语音控制等技术的远程监测智能网关。

背景技术

截至2012上半年，我国油气管道已达9.3万千米，覆盖整个中国，许多为人迹罕至区。传统的输油管道安全监测主要是依靠工人巡视管道，定时对各监测点进行检查并记录运行参数。该方法需要大量的人力、物力和财力，且监测区域有限，只能定时监测输油管道安全，不能进行24小时实时监测，存在一定的局限性。虽然国内外出现多种输油管道安全监测系统，但大多是采用分布式电缆或光缆传感技术，整个系统成本高昂，原理较复杂，不利于大范围推广。

目前，将无线传输技术引入输油管道安全监测领域的研究已见报道，如专利200520031368.0，公开了一种输油管道防盗防泄漏预警系统，该系统利用超声波技术检测管道危险位置，但是存在定位精度较低、数据处理能力较差的问题；专利文献201220484869.4，公开了一种油田输油管道GPS-GPRS智能巡检终端，由工作人员携带该终端对管道进行巡检，适应于小范围输油管道的定时监测，存在实时性差、监测区域有限的问题；也有人提出一种GSM网络输油管道检测与定位系统，该系统将传感、定位、GSM通信功能都集成到节点上，这样会导致节点成本和上位机维护成本都较高，存在硬件功能较单一的问题。

随着传感器技术、无线传输技术以及定位技术的飞速发展，4G、北斗定位、语音控制等技术开始进入人们的视野。4G是第四代移动通信及其技术的简称，融合LTE、WiMAX以及“演进的3G技术”为一体，与3G技术相比,它可以实现更快的传输速度和更好的无缝“切换”，还可进行多媒体操作，而且计费方式灵活、通信费用较低。随着北斗二代导航卫星的发射成功,标志着我国北斗卫星导航系统技术的日趋成熟，国内市场上已经出现了多种北斗定位模块，该模块除了具有快速定位和精密授时功能外，最大特点是能进行短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息。语音控制技术现已广泛应用于各种智能产品中，极大地方便了人与机器之间的信息交流。如果将这些技术引入到输油管道安全监测领域中，将会使监测系统更高效、更智能。

发明内容

根据输油管道安全监测的实际应用要求以及应用环境，本发明提供了一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，该网关在输油管道安全监测系统中负责汇聚各传感节点数据，并对数据进行备份处理，最后将数据转发给远程控制中心。此网关具有实时、快速高效、智能等特点，能有效地实现输油管道的远程安全监测。

本发明的技术方案如下：

一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，该基于4G的输油管道远程安全监测智能网关包括微处理器、4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、Flash存储器以及电源模块，其中微处理器分别与4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、Flash存储器和电源模块相连接，电源模块分别与4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块和Flash存储器相连接，4G模块与语音控制模块相连接，此网关包括两路ZigBee模块，分别是ZigBee模块A和ZigBee模块B，作为两个不同ZigBee网络的协调器，且该网关能够通过4G网络或北斗短报文方式与远程控制中心通信。

该网关还包括电源接口防雷模块，使得该网关能够抵挡雷击或强静电干扰，保证网关安全稳定运行。

该两路ZigBee模块均采用链状方式组网，能够增加了网关利用率，降低了监测系统成本。

微处理器与4G模块、ZigBee模块A、ZigBee模块B之间通过SPI口方式连接，微处理器与Flash存储器之间通过并口连接，微处理器与语音控制模块、北斗定位模块之间通过UART方式连接，4G模块与语音控制模块通过两路音频线相连接。

网关中的防雷模块采用两级防雷方案，方案中使用GDT（陶瓷气体放电管）作为第一级防护，使用PPTC(自恢复保险丝)和TVS（双向瞬态抑制二极管）作为第二级防护。

本发明的有益效果有：

1、引入4G网络技术，它高效而快速的传输特点，为大量监测数据的转发提供了安全保障；

2、运用北斗定位技术，能够精确地定位出相应网关的位置，当传感节点或网关发生故障时，网关能够通过北斗定位模块给远程控制中心发送短报文信息，告知工作人员故障传感节点或网关的位置；

3、网关中使用两路ZigBee模块，分别作为两个相邻ZigBee网络的协调器，采用链状组网方式，这样一个网关能够负责更多传感节点的数据转发任务，大大减少了输油管道安全监测系统中网关的数量，进而节省了系统成本；

4、网关中嵌入语音控制模块，工作人员能够直接通过语音下发控制命令，查询或修改相关参数，使工作人员与网关之间的信息互动更加智能化；

5、网关中增加电源接口防雷模块，由于网关实际应用时大多处于露天环境，且电源接口处最容易引入雷击或静电，该模块能够有效的避免雷击或静电对网关正常工作的干扰。

附图说明

图1是输油管道远程安全监测系统结构图。

图2是网关的电路框图。

图3是网关上行程序流程图。

图4是网关下行程序流程图。

图5是语音控制结构框图。

图6是电源接口防雷模块电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本实施例是一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，该网关使用4G、北斗定位、语音控制等技术，能够实现快速、高效的大数据量传输以及智能控制，适应输油管道远程安全监测的实际需要，具有现实意义。

图1所示为输油管道远程安全监测系统结构图。实际应用时，在输油管道沿线上，每隔500m左右布置一个传感节点，传感节点与网关之间通过ZigBee网络进行通信，而网关作为网络的协调器，每个网关带有两个协调器，能够同时组建两个不同的链状ZigBee网络，以该组网方式进行信息传输，可以大大减少网关数量。网关与远程控制中心之间通过4G网络进行信息交互。

图2所示为网关的电路框图。该网关由微处理器、4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、Flash存储器、电源模块和电源接口防雷模块组成，其中ZigBee模块包含ZigBee模块A和ZigBee模块B两部分，各模块与微处理器连接方式如下：微处理器与4G模块、ZigBee模块A、ZigBee模块B之间均通过SPI口方式连接；微处理器与Flash存储器之间通过并口连接；微处理器与语音控制模块、北斗定位模块之间均通过UART方式连接；4G模块与语音控制模块通过两路音频线相连接。

图3所示为网关上行程序流程图。上行过程指的是数据流从传感节点到网关，最终通过网关将数据流传输到远程控制中心。如图所示，网关每次接收完来自传感节点的数据后，会将其存储到Flash中，同时网关会读取此时的北斗数据，并将其一并存储到Flash中，然后再将数据一起发送给远程监控中心。如果由于硬件或软件导致网关通信不正常，能够通过北斗模块给远程控制中心，发送报告信息。

图4所示为网关下行程序流程图。下行过程指的是远程控制中心将控制命令帧发送给网关，然后网关将命令帧发送给传感节点。如图所示，远程控制中心发送给网关的控制命令帧分为两种，一种是传感节点命令帧，另一种是网关命令帧。如果属于传感节点命令帧，则网关通过ZigBee模块将命令帧发送给对应的传感节点；如果属于网关命令帧，则网关会执行命令帧内容，并将信息反馈给远程控制中心，而网关控制命令主要包括：修改网关参数、查询网关供电电压、查询4G网络链路质量以及查询4G卡信息等。

图5所示为语音控制结构框图。实际应用时，工作人员能够通过打电话的方式给网关发送语音信息，而每个语音信息都对应一个特定的语音命令码，网关接收到语音信息后，会解析得到相应的语音命令码，然后通过短信的方式与工作人员互动确认语音命令，如果得到回复“ok“，则执行语音命令，否则需要重新发送语音信息。

图6所示为电源接口防雷模块电路示意图。此防雷模块采用两级防雷方案，当遭遇雷击时，GDT作为第一级防护，PPTV和TVS构成第二级防护，GDT主要作用是泄流，PPTV主要作用是对前端回路进行限流，以保护蓄电池的安全，TVS主要作用是钳位电压，保证后端负载电路电压在安全阈值范围内。

本发明所述的网关针对输油管道远程安全监测的实际需求，能够快速、高效地对数据进行处理和转发，可以采用两种方式（4G网络和北斗短报文）与远程控制中心通信，同时工作人员能够通过语音方式与网关进行信息交互，且其独特的设计方案将会大大降低整个安全监测系统的成本。在远程安全监测系统中，该网关将会发挥巨大的作用，能很好的实现实时监测的目的！

Claims

1.一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于，该基于4G的输油管道远程安全监测智能网关包括微处理器、4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、Flash存储器以及电源模块，其中微处理器分别与4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块、Flash存储器和电源模块相连接，电源模块分别与4G模块、北斗定位模块、语音控制模块、ZigBee模块和Flash存储器相连接，4G模块与语音控制模块相连接，此网关包括两路ZigBee模块，分别是ZigBee模块A和ZigBee模块B，作为两个不同ZigBee网络的协调器，且该网关能够通过4G网络或北斗短报文方式与远程控制中心通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：该网关还包括电源接口防雷模块，使得该网关能够抵挡雷击或强静电干扰，保证网关安全稳定运行。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：两路ZigBee模块均采用链状方式组网，能够增加了网关利用率，降低了监测系统成本。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：微处理器与4G模块、ZigBee模块A、ZigBee模块B之间通过SPI口方式连接，微处理器与Flash存储器之间通过并口连接，微处理器与语音控制模块、北斗定位模块之间通过UART方式连接，4G模块与语音控制模块通过两路音频线相连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：微处理器与4G模块、ZigBee模块A、ZigBee模块B之间通过SPI口方式连接，微处理器与Flash存储器之间通过并口连接，微处理器与语音控制模块、北斗定位模块之间通过UART方式连接，4G模块与语音控制模块通过两路音频线相连接。

6.根据权利要求2或5所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：网关中的防雷模块采用两级防雷方案，方案中使用GDT（陶瓷气体放电管）作为第一级防护，使用PPTC(自恢复保险丝)和TVS（双向瞬态抑制二极管）作为第二级防护。

7.根据权利要求3所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：网关中的防雷模块采用两级防雷方案，方案中使用GDT（陶瓷气体放电管）作为第一级防护，使用PPTC(自恢复保险丝)和TVS（双向瞬态抑制二极管）作为第二级防护。

8.根据权利要求4所述的一种基于4G的输油管道远程安全监测智能网关，其特征在于：网关中的防雷模块采用两级防雷方案，方案中使用GDT（陶瓷气体放电管）作为第一级防护，使用PPTC(自恢复保险丝)和TVS（双向瞬态抑制二极管）作为第二级防护。