CN110107817B - 一种具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统，其特征在于，包括微处理器、分别与所述微处理器连接的电磁信号接收处理模块、静磁场信号接收处理模块、北斗/GPS双模定位授时模块、蓝牙模块、NBIoT模块以及存储器模块。本发明可同时应用于基于电磁波和静磁场原理的管道内检测器系统，信号处理部分采用实时FFT解算方式，具有更高的测量精度和实现发射机运行到标记系统正下方触发的功能，蓝牙模块和NBIoT模块的使用让本发明具有无线数据通信和物联网功能，便于工程实际应用。

Description

一种具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统

技术领域

本发明属于管道内检测领域，具体地涉及一种应用于长距离管道运输、与管道内检测器配合使用的、具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统。

背景技术

管道运输相比于其他运输方式有着独特的优势，随着管道运输的应用越加广泛，其安全运行问题也受到人们的重视，而定期对管道进行内检测是保障管道安全的一种行之有效的手段。

根据管道检测设备所处位置的不同，管道检测可以分为管道内检测和管道外检测这两大类。其中，管道内检测方式可连续检测几百公里的管道，不仅可以检测管道的内部变形、腐蚀、缺陷和破损等情况，还可对管道的这些缺陷情况进行定位，是一种行之有效的检测方式，也是目前管道检测中运用最广泛的检测手段。

由于管道在长期运行的过程中，内部会有积累的沉淀物和杂质，同时也存在管线铺设弯曲程度较大的情况，或者是管道内检测器自身故障等因素，都会造成当管道内检测器在管道中作业时，有可能会发生卡堵而无法正常运行的情况，造成管道堵塞，影响管道的正常运输生产，严重时甚至会造成安全事故。管道内检测器的定位技术可以及时告知管外工作人员内检测器的准确位置，以便于快速准确地排除故障、恢复生产。同时，在管道外对内检测器的定位技术，可以辅助内检测器实现对管道缺陷更加准确的定位，节约管道维修成本。因此，管道内检测器的定位技术已经成为提高内检测器工作性能和实用价值的重要课题之一。

目前虽然管道内检测器定位技术的研究发展很快，但性能优异的产品还不多，主要表现在一些几个方面：

1)传统的地面标记系统多针对一种管道内检测器进行设计，即，一套地面标记系统只能配合一套内检测器使用，彼此之间不能混用；

2)传统的地面标记系统在数据传输时多采用串口模式，而串口的通讯速率严重限制了整个系统数据上传的速率，可以说串口通讯是数据通讯环境的速率瓶颈所在；

3)在进行管道检测的过程中，操作人员须随着管道内检测器的运动，逐一观察沿线地面标记系统的工作情况，以便确认管道内检测器是否通过该标记系统，此工作的工作量很大，浪费人力、物力、财力。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种具有互联网功能的管道内检测器地面标记系统，可同时应用于基于电磁波和静磁场原理的管道内检测器；信号处理部分采用实时FFT解算方式，具有更高的测量精度；蓝牙模块和NBIoT模块的使用让本发明具有无线数据通信和物联网功能，便于工程实际应用。

根据本发明的一方面，提供了一种具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统，其特征在于，包括微处理器、分别与所述微处理器连接的电磁信号接收处理模块、静磁场信号接收处理模块、北斗/GPS双模定位授时模块、蓝牙模块、NBIoT模块以及存储器模块，

所述电磁信号接收处理模块和所述静磁场信号接收处理模块用于定位内检测器；所述北斗/GPS双模定位授时模块用于使地面标记系统和内检测器时间同步以及用于获取地面标记系统的位置信息和时间信息；所述蓝牙模块用于实现微处理器和上位机之间的无线通信；所述NBIoT模块用于将内检测器的触发信息和地面标记系统的位置信息和工作状态实时传输至上位机；所述存储器模块用于存储地面标记系统的时间信息和位置信息，以及磁场信号数据。

特别地，所述电磁信号接收处理模块可以包括正交接收天线、电磁信号预处理器及AD转换器，正交接收天线对内检测器的极低频电磁信号发射机产生的电磁信号进行检测，检测到的电磁信号经由电磁信号预处理器进行滤波和放大后，经由AD转换器采集到微处理器中，通过数字信号处理方法进行处理和分析，所述正交接收天线包括平行和垂直于电磁信号的两个正交天线。

特别地，所述数字信号处理方法可以包括采用FFT算法对电磁信号数据进行实时分析，获得两个正交天线在特定频率下电磁信号的FFT幅值，通过绘制两个正交天线FFT幅值的包络线信息，记录内检测器的发射机运行到地面标记系统的正下方的时间，完成发射机经过地面标记系统正下方位置的触发功能。

特别地，所述静磁场信号接收处理模块包括磁阻传感器、放大器和AD转换器组成，磁阻传感器对内检测器的永磁铁产生的磁场信号进行检测，检测到的磁场信号经由放大器进行信号放大后，经由AD转换器采集到微处理器中进行分析和处理。

特别地，地面标记系统的工作状态包括正常工作状态和记录工作状态，

在正常工作状态下，地面标记系统先打开北斗/GPS双模定位授时模块完成定位和时间校准，之后一直处于信号的监控状态，当判断有电磁信号或者磁信号满足内检测器通过的触发条件时，记录并存储这个过程中的电磁信号数据或磁信号数据，当内检测器触发结束后，地面标记系统再次进入电磁信号或者磁信号的监控状态，等待内检测器的下次触发；

在记录工作状态下，地面标记系统会一直记录和存储当前的电磁信号数据或磁信号数，而与电磁信号或者磁信号是否满足内检测器通过的触发条件无关。

特别地，地面标记系统具有管道现场检测作业模式和蓝牙数据通信模式：

在管道现场检测作业模式下，通过电磁信号接收处理模块和静磁场信号接收处理模块对内检测器实现定位，通过存储器模块对地面标记系统的位置信息和时间信息以及磁场信号数据进行存储，同时通过NBIOT模块将内检测器的触发信息和地面标记系统的位置信息和工作状态实时传输至上位机；

在蓝牙数据通信模式下，上位机对存储器模块中存储的地面标记系统的时间信息和位置信息以及磁场信号数据进行读取和分析处理，并对地面标记系统中的采样率、放大倍数进行设置。

特别地，管道现场检测作业模式和蓝牙数据通信模式可以通过单个按键按压不同时间来由程序判断切换。

特别地，所述地面标记系统可以包括具有双色指示灯的LED信号指示灯，所述LED信号指示灯利用双色指示灯的不同颜色和闪烁频率，实现地面标记系统的各模块的工作状态的指示。

特别地，所述地面标记系统可以包括电池电量检测模块，用于实时检测地面标记系统的供电电池的电量。

特别地，上位机可以利用NBIoT的网络和GPS网络实现地面标记系统的追踪与查找，以避免地面标记系统的丢失。

本发明的有益效果：

1)本发明使用NBIOT通信技术，将各地面标记系统的工作状态实时远程传输至上位机，当管道内检测器经过某一地面标记系统时，上位机显示界面上对应的标记系统图标会及时做出显示，使得操作人员不需现场确定就可以准确获得管道内检测器的运行状态，大大降低了人力、财力、物力，从而有利于工程实际应用；

2)本发明将极低频电磁波定位法和静磁场定位法组合在一套定位系统中，同时具有两种检测方法，提高了地面标记系统的通用性，使得用户根据实际需要选用以上两种原理的管道内检测器即可，而无需更换地面标记系统，由此降低了采购成本。

3)本发明在极低频电磁波定位结构中采用了正交天线的信号接收方式，针对实际检测过程中电磁场分布特点不显著的情况，将两天线接收到的磁场强度的差值加入判断依据，在这种特殊情况下提高了管道内检测器的定位精度。

4)本发明在利用电磁信号进行管道内检测器定位时，在对电磁信号进行预处理后，为了更加准确获取特定频率的电磁信以及更快速的处理检测到的电磁信号，采用在微处理器中加入数字信号处理方法，例如采用FFT算法对电磁信号数据进行分析，可以准确获得特定频率下电磁信号的幅值。

5)本发明采用北斗/GPS双模定位授时模块可以在检测开始时使全部设备自动获取世界时和地理坐标，系统根据北斗/GPS双模定位授时模块的信号有无、信号强弱进行最优选择，丰富了产品定位授时的功能，能够实现更快更准确的定位和导航。

6)本发明可以利用NBIoT的网络和GPS网络实现地面标记系统的追踪与查找，以解决地面标记系统在现场容易丢失的问题。

附图说明

图1是本发明的一实施例的地面标记系统的连接结构示意图。

图2是本发明的极低频电磁发射机和磁接收器对应位置关系示意图。

图3是本发明的地面标记系统的工作过程流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

如图1所示，本发明的具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统，包括微处理器、分别与所述微处理器连接的电磁信号接收处理模块、静磁场信号接收处理模块、北斗/GPS双模定位授时模块、蓝牙模块、NBIOT模块、存储器模块、LED信号指示灯以及电池电量检测模块。

本发明同时具有两种检测方法，包括极低频电磁信号检测方法和静磁场检测方法。针对于管道漏磁内检测器的定位，采用静磁场定位方法，定位系统结构更为简单，实现较为方便；针对于不带有永磁铁的内检测器(如：几何变形内检测器等)的定位，一般采用极低频电磁波定位系统。

电磁信号接收处理模块包括正交接收天线、电磁信号预处理器及AD转换器，正交接收天线对内检测器的极低频电磁信号发射机产生的电磁信号进行检测，检测到的电磁信号经由电磁信号预处理器进行滤波和放大后，经由AD转换器采集到微处理器中。其中，正交接收天线呈正交的方向固定放置，分别平行和垂直于电磁信号的发射天线，用于检测空间磁场中与发射机天线水平和垂直方向上的磁场。

在实际管道检测中，电磁波发射机天线的方向和磁接收器方向的对应位置关系示意图如图2所示，|B_x|和|B_z|分别对应着磁接收器在地面上所能测量到的与发射机天线垂直方向(径向)和水平方向(轴向)上的磁场强度。由对极低频电磁波磁偶极子模型的分析可知，与发射机线圈垂直方向的磁场强度|B_x|呈双峰对称分布的特点，与发射机线圈平行方向的磁感应强度|B_z|呈主峰对称分布的特点。但是由于电磁波在管道和土壤层中复杂的传播环境以及所检测管道埋深的影响，不仅会导致地面上能检测到磁场强度比较微弱，而且未知的电磁波传播环境也会对磁场分布产生影响，此时相应的磁场分布的特点可能不再显著，磁场分布中对应的波峰和波谷不再明显。这种情况下可以将本发明的正交接收天线上两天线接收到的磁场强度的差值加入判断依据，当两天线信号强度差值达到最大时，认为此时为定位的准确时刻。因此，本发明的这种正交接收天线的结构设计在特殊情况下提高了管道内检测器的定位精度。

电磁信号预处理器主要完成对电磁信号的滤波和放大作用。在一些实施例中，电磁信号预处理器主要包括带通滤波电路、放大电路、50Hz陷波器(环境中常见50Hz工频干扰)和开关电容滤波器等模块。接收天线接收到的原始电磁信号包含了环境中其他频率的电磁干扰信号，首先通过电阻电容组成的一级带通滤波器对天线接收到的所有频率的信号进行初次滤波，得到包含所检测的特定频率的频带信号。再通过共模抑制比高、精度高的差分放大器，对信号进行放大，之后，通过50Hz陷波器可以有效地滤除掉工频干扰及其高次谐波。选取特定电容值，利用开关电容滤波器结合外围电路组成的中心频率(例如22Hz)的窄带滤波器对电磁信号完成二次滤波。

经过预处理后的电磁信号并不能完成滤除22Hz临近频率的信号，所以在预处理后还需要采取数字信号方法对电磁信号作进一步的处理，以达到获得22Hz单一频率的效果。对于数字信号处理方法的选取，一方面需要满足对特定的22Hz频率的电磁波幅值的提取要求，另一方面，当管道内检测器运行的速度越快，地面标记系统所能检测到的磁场强度信号的时间就会越短，故在微处理器中所采用的数字处理方法还需要满足较短的处理时间要求。

特别地，本发明采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)算法对电磁信号数据进行分析，从而可以获得例如22Hz的特定频率下电磁信号的幅值。

静磁场信号接收处理模块包括磁阻传感器、放大器和AD转换器组成，磁阻传感器对内检测器的永磁铁产生的磁场信号进行检测，检测到的磁场信号经由放大器进行信号放大后，经由AD转换器采集到微处理器中进行分析和处理。

北斗/GPS双模定位授时模块是指定位终端既可以支持北斗卫星定位，也可以支持GPS卫星定位，在更严格的定义上，是可以支持两套系统同时在定位终端上运行，使在检测开始时地面标记系统和内检测器时间同步以及获取地面标记系统的位置信息和时间信息。同时系统根据北斗/GPS双模定位授时模块的信号有无、信号强弱进行最优选择，丰富了产品定位授时的功能，能够实现更快更准确的定位和导航。

蓝牙模块用于实现微处理器和和数据分析处理显示软件上位机之间的无线通信，通过这种无线通信的数据传输方法，方便了管道内检测器定位系统在工程实际中的应用。

NBIoT(Narrow Band Internet of Things)窄带物联网)模块用于将内检测器的触发信息和地面标记系统的位置信息和工作状态等实时传输至上位机。具体地，在检测中，每个地面标记系统利用NBIoT模块可以向上位机主动上报内检测器的触发信息，以及将实时获取的地面标记系统的位置信息，工作状态、故障诊断，电量信息等功能。

特别地，地面标记系统的工作状态包括正常工作状态和记录工作状态：

在正常工作状态下(如图3中的状态0)：系统会先打开北斗/GPS双模定位授时模块进行时间和地理位置信号的接收，根据地面标记系统所处地理位置和天气状况等因素的不同，这个过程可能会持续等待数十秒至几分钟不等。在北斗/GPS双模定位授时模块完成定位和时间校准后，地面标记系统会进行电磁信号或磁信号的采集和处理，也就是会一直处于信号的监控状态，当判断有电磁信号或者磁信号满足内检测器通过的触发条件时，会记录并存储这个过程中的电磁信号数据和磁信号数据。当触发结束后，系统会再次进入监控状态，等待下次的信号触发。

在记录工作状态下(如图3中的状态1)：此工作状态无GPS模块信号接收等待过程，也不会等待电磁信号或磁信号满足条件后再进行记录，系统会一直记录和存储当前的电磁信号和磁信号数据，按下相应的按键后会结束此次数据的记录。这个工作状态是为了方便系统的调试和实验而进行设计的。

另外，由于北斗/GPS双模定位授时模块的时间和地理位置数据的接收过程需要等待不定的时间，且需要在室外，为了方便系统的调试和实验的相关工作，为此地面标记系统还具有不含北斗/GPS双模的工作状态，和正常工作状态相比，该工作状态跳过北斗/GPS双模定位授时模块的信号接收过程，节约了时间。

存储器模块用于在检测中存储地面标记系统的时间信息和位置信息，以及磁场信号数据，待到管道检测结束后，再由工作人员回收标记系统，将存储器模块中存储的数据和信息传输到上位机进行分析和处理。

LED信号指示灯用于指示内检测器的地面标记系统的各种工作状态和指示信号，例如包括蓝牙传输状态、GPS工作状态、数据波形记录状态和内检测器是否通过的信号等。这些都是通过LED信号指示灯的不同工作状态给出提示的。在一些实施例中，LED信号指示灯具有双色指示灯，利用双色指示灯的不同颜色和闪烁频率，可以实现地面标记系统的各模块的工作状态的指示。

管道现场检测基本上都是在野外进行的，因此内检测器地面标记系统一般都是采用电池等装置进行供电的，采用电池电量检测模块对标记系统的电池电量进行实时检测，可以提醒工作人员注意更换电池，以保证标记系统不会因为供电不足而影响正常工作。

本发明的地面标记系统通过微处理器实现对上述各个模块的控制，通过各个模块间的相互配合实现系统的整体功能，对各个模块的控制是通过处理器中的程序来完成的。

特别地，本发明的地面标记系统共有两种工作模式：蓝牙数据通信模式和管道现场检测作业模式。其中，蓝牙数据通信模式用于定位接收标记系统与上位机之间的数据通信，管道现场检测作业模式用于在管道检测现场，对内检测器实现定位及地面标记系统的时间信息和位置信息、定位信号波形数据的存储，同时通过NBIoT模块，实时传输标记系统的工作状态至上位机。两个模式通过在标记系统开机时，检测相应的按键是否按下来进行选择。例如当按下该按键时进入蓝牙数据通信模式，未按下时进入管道现场检测作业模式。

当标记系统选择进入蓝牙数据通信模式后，系统会打开蓝牙，等待与上位机端相匹配的蓝牙设备建立通信连接，连接建立后系统即进入数据传输状态，这个过程可通过上位机软件实现对标记系统的存储器模块中保存的数据信息进行读取和分析处理，以及可通过上位机对标记系统中相关的参数进行设置，例如采样率、放大倍数等参数。

此外，上位机可以利用NBIoT的网络和GPS网络实现地面标记系统的追踪与查找，以解决多个地面标记系统在现场容易丢失的问题。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有物联网功能的管道内检测器地面标记系统，其特征在于，包括微处理器、分别与所述微处理器连接的电磁信号接收处理模块、静磁场信号接收处理模块、北斗/GPS双模定位授时模块、蓝牙模块、NBIoT模块以及存储器模块，

所述电磁信号接收处理模块和所述静磁场信号接收处理模块用于定位内检测器；所述北斗/GPS双模定位授时模块用于使地面标记系统和内检测器时间同步以及用于获取地面标记系统的位置信息和时间信息，所述地面标记系统根据所述北斗/GPS双模定位授时模块的信号有无、信号强弱进行最优选择；所述蓝牙模块用于实现微处理器和上位机之间的无线通信；所述NBIoT模块用于将内检测器的触发信息和地面标记系统的位置信息和工作状态实时传输至上位机；所述存储器模块用于存储地面标记系统的时间信息和位置信息，以及磁场信号数据；

所述电磁信号接收处理模块包括正交接收天线、电磁信号预处理器及AD转换器，正交接收天线对内检测器的极低频电磁信号发射机产生的电磁信号进行检测，检测到的电磁信号经由电磁信号预处理器进行滤波和放大后，经由AD转换器采集到微处理器中，通过数字信号处理方法进行处理和分析，

所述正交接收天线包括平行和垂直于电磁信号的两个正交天线；

所述数字信号处理方法包括采用FFT算法对电磁信号数据进行实时分析，获得两个正交天线在特定频率下电磁信号的FFT幅值，通过绘制两个正交天线FFT幅值的包络线信息，记录内检测器的发射机运行到地面标记系统的正下方的时间，完成发射机经过地面标记系统正下方位置的触发功能；

所述静磁场信号接收处理模块包括磁阻传感器、放大器和AD转换器，磁阻传感器对内检测器的永磁铁产生的磁场信号进行检测，检测到的磁场信号经由放大器进行信号放大后，经由AD转换器采集到微处理器中进行分析和处理；

地面标记系统的工作状态包括正常工作状态和记录工作状态，

在正常工作状态下，地面标记系统先打开北斗/GPS双模定位授时模块完成定位和时间校准，之后一直处于信号的监控状态，当判断有磁信号满足内检测器通过的触发条件时，记录并存储这个过程中的磁信号数据，当内检测器触发结束后，地面标记系统再次进入磁信号的监控状态，等待内检测器的下次触发；

在记录工作状态下，地面标记系统会一直记录和存储当前的磁信号数，而与磁信号是否满足内检测器通过的触发条件无关。

2.根据权利要求1所述的地面标记系统，其特征在于，地面标记系统具有管道现场检测作业模式和蓝牙数据通信模式：

在管道现场检测作业模式下，通过电磁信号接收处理模块和静磁场信号接收处理模块对内检测器实现定位，通过存储器模块对地面标记系统的位置信息和时间信息以及磁场信号数据进行存储，同时通过NBIoT模块将内检测器的触发信息和地面标记系统的位置信息和工作状态实时传输至上位机；

在蓝牙数据通信模式下，上位机对存储器模块中存储的地面标记系统的时间信息和位置信息以及磁场信号数据进行读取和分析处理，并对地面标记系统中的采样率和放大倍数进行设置。

3.根据权利要求2所述的地面标记系统，其特征在于，管道现场检测作业模式和蓝牙数据通信模式通过单个按键按压不同时间来由程序判断切换。

4.根据权利要求1所述的地面标记系统，其特征在于，所述地面标记系统包括具有双色指示灯的LED信号指示灯，所述LED信号指示灯利用双色指示灯的不同颜色和闪烁频率，实现地面标记系统的各模块工作状态的指示。

5.根据权利要求1所述的地面标记系统，其特征在于，所述地面标记系统包括电池电量检测模块，用于实时检测地面标记系统的供电电池的电量。

6.根据权利要求1所述的地面标记系统，其特征在于，上位机利用NBIoT的网络和GPS网络实现地面标记系统的追踪与查找，以避免地面标记系统的丢失。

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