CN110617405A - 一种燃气管道泄漏监测与定位系统 - Google Patents

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张梅
张双双
袁宏永
付明
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Abstract

本发明公开一种燃气管道泄漏监测与定位系统，包括泄漏监测子系统和泄漏定位子系统，发生燃气管道泄漏后，首先泄漏监测子系统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系统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。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。本发明采用监测子系统和定位子系统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、功耗低、成本低、覆盖距离远、使用寿命长、定位精确的特点，适合推广应用。

Description

一种燃气管道泄漏监测与定位系统
技术领域
本发明涉及燃气管道监测领域，具体的是一种燃气管道泄漏监测与定位系统。
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。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种燃气管道泄漏监测与定位系统，具有低功耗、可靠性高、定位精确、可远程实时查看的优点，该系统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。
本系统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。
本系统利用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系统提供合适的解决方案。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃气管道泄漏监测与定位系统，包括泄漏监测子系统、泄漏定位子系统和燃气管道监测平台，在工作过程中，发生燃气管道泄漏时，首先泄漏监测子系统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系统进行泄漏点的精确定位，定位结果本地实时显示并上传至燃气管道监测平台。
所述泄漏监测子系统包括检测节点和汇聚节点，泄漏定位子系统包括次声波检测节点和汇聚节点，泄漏定位子系统在泄漏监测子系统报警的基础上使用。
所述燃气管道监测平台的主要业务功能包括监测节点管理、实时数据及地图显示、历史数据查询、数据存储、报警信息提示、报警参数设置和定位信息显示。
进一步地，所述泄漏监测子系统中的检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、燃气传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，燃气传感器将采集到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后通过LoRa通信模块无线传输到泄漏监测子系统中的汇聚节点。
进一步地，所述泄漏监测子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，实现LoRa和NB-IOT GSM相结合的网络体系；电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块和NB-IOT通信模块进行无线通信。
进一步地，所述泄漏监测子系统中的汇聚节点中插有NB-IOT专用SIM卡，开机初始化完成后自动搜网入网，通过LoRa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通信模块上传至燃气管道监测平台。
进一步地，所述泄漏定位子系统中的次声波检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、次声波传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，次声波传感器将检测到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后，STM32F103C8T6主控芯片将数据经LoRa通信模块传输给泄漏定位子系统中的汇聚节点。
进一步地，所述泄漏定位子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、LCD显示屏、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块汇聚检测节点信息，然后进行泄漏点定位，再将定位结果在LCD显示屏上显示，最后通过NB-IOT通信模块传输至监测平台。
进一步地，所述次声波传感器设置有三个，分别为A1次声波传感器、A2次声波传感器和A3次声波传感器。
进一步地，所述燃气管道监测平台为泄漏监测子系统和泄漏定位子系统共用，燃气管道监测平台实现数据的接收，并为用户提供交互界面，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。
本发明的有益效果：
(1)安装方便
本发明的泄漏监测子系统安装极为方便，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
系统采用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
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明总体结构示意图；
图2是本发明泄漏监测子系统组成框图；
图3是本发明泄漏定位子系统组成框图；
图4是本发明定位算法示意图；
图5是本发明监测平台功能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实现的方案分三个部分：泄漏监测子系统、泄漏定位子系统和燃气管道监测平台。
在工作过程中，当发生燃气管道泄漏，首先泄漏监测子系统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系统进行泄漏点的精确定位，定位结果本地实时显示并上传至燃气管道监测平台。
如图2所示为本发明泄漏监测子系统，泄漏监测子系统包括检测节点和汇聚节点，本发明的检测节点布置在燃气管道附近，设置有多个，用来监测燃气泄漏情况。
检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、燃气传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，燃气传感器将采集到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后通过LoRa通信模块无线传输到泄漏监测子系统中的汇聚节点。
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。
泄漏监测子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，实现LoRa和NB-IOT GSM相结合的网络体系。电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块汇聚众多检测节点的数据，然后再通过NB-IOT通信模块将数据上传至监测平台。
在燃气管道范围内布置一个汇聚节点，汇聚节点插入NB-IOT专用SIM卡，开机初始化完成后自动搜网入网，通过LoRa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通信模块上传至燃气管道监测平台。
如图3所示为本发明泄漏定位子系统，泄漏定位子系统包括次声波检测节点和汇聚节点，泄漏定位子系统是在泄漏监测子系统报警的基础上使用的。
如图4所示，泄漏定位子系统内设置有A1次声波传感器、A2次声波传感器和A3次声波传感器共三个传感器，在报警的区域内布置泄漏定位子系统，将泄漏定位子系统的三个传感器布置成三角形阵列，间隔2米左右，将汇聚节点距离三角形阵列中心点4米左右布置，A1次声波传感器、A2次声波传感器和A3次声波传感器均能感应泄漏源S的位置。
如图3所示，次声波检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、次声波传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，次声波传感器将检测到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后，STM32F103C8T6主控芯片将数据经LoRa通信模块传输给泄漏定位子系统中的汇聚节点。次声波检测节点采用9V方形电池供电，经电源电路降压至3.3V供给单片机工作。
泄漏定位子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、LCD显示屏、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块汇聚检测节点信息，然后进行泄漏点定位，再将定位结果在LCD显示屏上显示，最后通过NB-IOT通信模块传输至监测平台。汇聚节点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。
如图5所示为本发明的燃气管道监测平台，燃气管道监测平台主要业务功能包括监测节点管理、实时数据及地图显示、历史数据查询、数据存储、报警信息提示、报警参数设置和定位信息显示。
燃气管道监测平台在中国移动物联网开放平台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步骤：
1)创建产品：在云平台上创建注册自己的产品，创建一个数据上传中心；
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。系统网络平台可以实现燃气泄漏监测系统检测节点的管理、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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，包括泄漏监测子系统、泄漏定位子系统和燃气管道监测平台，在工作过程中，发生燃气管道泄漏时，首先泄漏监测子系统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系统进行泄漏点的精确定位，定位结果本地实时显示并上传至燃气管道监测平台；
所述泄漏监测子系统包括检测节点和汇聚节点，泄漏定位子系统包括次声波检测节点和汇聚节点，泄漏定位子系统在泄漏监测子系统报警的基础上使用；
所述燃气管道监测平台的主要业务功能包括监测节点管理、实时数据及地图显示、历史数据查询、数据存储、报警信息提示、报警参数设置和定位信息显示。
2.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述泄漏监测子系统中的检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、燃气传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，燃气传感器将采集到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后通过LoRa通信模块无线传输到泄漏监测子系统中的汇聚节点。
3.根据权利要求2所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述泄漏监测子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，实现LoRa和NB-IOT相结合的网络体系；电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块汇聚众多检测节点的数据，然后再通过NB-IOT通信模块将数据上传至监测平台。
4.根据权利要求3所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述泄漏监测子系统中的汇聚节点中插有NB-IOT专用SIM卡，开机初始化完成后自动搜网入网，通过LoRa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通信模块上传至燃气管道监测平台。
5.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述泄漏定位子系统中的次声波检测节点由STM32F103C8T6主控芯片、次声波传感器、电源模块、时钟电路、复位电路和LoRa通信模块组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，次声波传感器将检测到的信号传递给STM32F103C8T6主控芯片，经过处理后，STM32F103C8T6主控芯片将数据经LoRa通信模块传输给泄漏定位子系统中的汇聚节点。
6.根据权利要求5所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述泄漏定位子系统中的汇聚节点由STM32F103C8T6主控芯片、电源模块、LCD显示屏、NB-IOT通信模块、LoRa通信模块、时钟电路和复位电路组成，电源模块、时钟电路和复位电路为STM32F103C8T6主控芯片提供最基本的工作电路，STM32F103C8T6主控芯片通过LoRa通信模块汇聚检测节点信息，然后进行泄漏点定位，再将定位结果在LCD显示屏上显示，最后通过NB-IOT通信模块传输至监测平台。
7.根据权利要求5所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述次声波传感器设置有三个，分别为A1次声波传感器、A2次声波传感器和A3次声波传感器。
8.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄漏监测与定位系统，其特征在于，所述燃气管道监测平台为泄漏监测子系统和泄漏定位子系统共用，燃气管道监测平台实现数据的接收，并为用户提供交互界面，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。
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