CN210006184U - 燃气管网智慧监测管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了燃气管网智慧监测管理系统，燃气管网智慧监测管理系统，包括监控模块，监控模块包括控制器、燃气检测传感器、定位模块以及NB‑IoT通信模块；控制器分别与燃气检测传感器、定位模块以及NB‑IoT通信模块连接；监控模块设置于第一燃气管道与第二燃气管道的管道对接处，燃气检测传感器对准管道对接处；本实用新型通过在管道对接处设置的燃气检测传感器来检测管道是否漏气，由定位模块定位其位置，从而通过NB‑IoT通信模块发送漏点信息给平台端或移动终端，即实现了对燃气管道泄漏的及时发现和漏点位置的判断及定位使用；NB‑IoT技术能降低了安装后的维护成本、保证信号稳定传输、节省大量人力资源以及满足用户数量庞大的需求。

Description

燃气管网智慧监测管理系统

技术领域

本实用新型涉及监测领域，特别涉及燃气管网智慧监测管理系统。

背景技术

目前，我国的燃气管网巡线方式有人工巡检方式、基于条码识别的巡检、基于射频识别技术(RFID)的巡检以及基于PDA等智能移动设备和GPS的巡检。就实践后的经验来说，这些方法依旧存在一些无法解决的问题，对燃气管网的安全有较大的影响。

采用人工巡查，容易出现漏检、错检的情况，无法及时向管理站点汇报巡检情况，而易造成隐患拖延过久而发生事故。此外也不便于巡检工作的统筹安排和管理。基于条码识别的巡检同样没有解决巡检过程中易漏检、错检的情况，也无法及时与后台取得联系、同步更新数据库。基于射频识别技术(RFID)的巡检，实现了巡检终端和后台服务器的即时通信，但是由于巡检点数量巨大，前期的射频卡安装投入巨大，同时巡检区域恶劣的自然环境也会影响该技术的应用。基于PDA等智能移动设备和GPS的巡检，由于PDA个头较大，生产成本较高，有些功能无法实现，也不能与监控中心保持实时地通信往来，需要将这些功能模块集成到PDA设备上，这就加大了巡检设备的投入与应用成本。在用户体验性能上，PDA设备界面简单，不具有良好的用户体验性能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供燃气管网智慧监测管理系统，实现了对燃气管道泄漏的及时发现和漏点位置的判断及定位使用。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

燃气管网智慧监测管理系统，包括监控模块，所述监控模块包括控制器、燃气检测传感器、定位模块以及NB-IoT通信模块；

所述控制器分别与所述燃气检测传感器、所述定位模块以及所述NB-IoT通信模块连接；

所述监控模块设置于第一燃气管道与第二燃气管道的管道对接处，所述燃气检测传感器对准所述管道对接处。

进一步地，所述控制器采用STM32L476RG单片机，所述控制器包括第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口、第四数据接口、第五数据接口、第六数据接口、第七数据接口、第八数据接口以及第九数据接口；

所述燃气检测传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述燃气检测传感器包括开关信号输出端以及模拟信号输出端；

所述定位模块包括定位信号发送端以及定位信号接收端；

所述NB-IoT通信模块采用BC95芯片，所述NB-IoT通信模块包括数据发送端、数据接收端、数据使能端、数据复位端以及模块输出振铃提示端；

所述第一数据接口与所述开关信号输出端连接，所述第二数据接口与所述模拟信号输出端连接，所述第三数据接口与所述定位信号发送端连接，所述第四数据接口与所述定位信号接收端连接，所述第五数据接口与所述数据发送端连接，所述第六数据接口与所述数据接收端连接，所述第七数据接口与所述数据使能端连接，所述第八数据接口与所述数据复位端连接，所述第九数据接口与所述模块输出振铃提示端连接。

进一步地，所述监控模块还包括声光报警模块，所述声光报警模块包括蜂鸣器和LED灯，所述蜂鸣器接入第一三极管的发射极，所述第一三极管的基极连接第一电阻，所述LED灯的正极连接有第九电阻，所述第九电阻的另一端与所述第一三极管的发射极连接，所述第一电阻的另一端与所述控制器连接。

进一步地，所述监控模块还包括气体流量计、可燃气体传感器、气压传感器以及温湿度传感器，所述控制器分别与所述气体流量计、所述可燃气体传感器、所述气压传感器以及所述温湿度传感器连接。

进一步地，所述气体流量计为Azbil气体微小流量计，所述可燃气体传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述气压传感器为XGZP6847型芯片，所述温湿度传感器为DHT11芯片。

进一步地，所述监控模块还包括采用ADXL345型芯片的倾角传感器，所述倾角传感器包括倾角时钟信号端以及倾角数据传输端；

所述倾角时钟信号端与所述控制器的第十数据接口连接，所述倾角数据传输端与所述控制器的第十一数据接口连接。

本实用新型的有益效果在于：燃气管网智慧监测管理系统，通过在管道对接处设置的燃气检测传感器来检测管道是否漏气，由定位模块定位其位置，从而通过NB-IoT通信模块发送漏点信息给平台端或移动终端，即实现了对燃气管道泄漏的及时发现和漏点位置的判断及定位使用；NB-IoT技术具有低功耗、广覆盖、低成本以及小尺寸等特点，从而降低了安装后的维护成本、保证信号稳定传输、节省大量人力资源以及满足用户数量庞大的需求。

附图说明

图1为本实用新型实施例的燃气管网智慧监测管理系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例涉及的控制器的连接示意图；

图3为本实用新型实施例涉及的MQ2烟雾传感器的连接示意图；

图4为本实用新型实施例涉及的倾角传感器的电路示意图。

标号说明：

U1、STM32L476RG单片机；U2、定位模块；U3、BC95芯片；U4、Azbil气体微小流量计；U5、MP-4甲烷传感器；U6、XGZP6847型芯片；U7、DHT11芯片；U8、ADXL345型芯片；VCC、电源；LS、蜂鸣器；R1至R9、电阻；Q1、三极管；C1、电容；LM358、双运算放大器。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图4，燃气管网智慧监测管理系统，包括监控模块，所述监控模块包括控制器、燃气检测传感器、定位模块以及NB-IoT通信模块；

所述控制器分别与所述燃气检测传感器、所述定位模块以及所述NB-IoT通信模块连接；

所述监控模块设置于第一燃气管道与第二燃气管道的管道对接处，所述燃气检测传感器对准所述管道对接处。

其中，NB-IoT技术作为蜂窝物联网的代表性技术，凭借其低功耗、广覆盖，低成本、小尺寸等特点，具有非常广泛的应用前景和市场价值。NB-IoT拥有超低功耗的特点，在待机状态下可工作十年，极大程度的降低了安装后的维护成本。NB-IoT拥有超强信号覆盖，可覆盖室内和地下室，真正在管网监测中实现全面覆盖，保证了信号稳定性，真正实现偏远地区数据正常传输。同时，可以实现海量的连接，以满足智能家居多个终端同时连接。采用NB-IoT无线网络，可以实现监控中心的远程分布式远程控制，不再需要人工巡查，数据全部自动传输到平台上，节省了大量人力资源。NB-IoT能容纳通讯基站用户容量是GPRS的10倍，可满足燃气管网监测点和通讯用户数量庞大的需求。NB-IoT DTU具有更强的链接能力,比传统的GPRS DTU提高50-100倍的设备接入量。

其中，本实用新型的定位模块具体为GPS+北斗BDS双模定位模块。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：通过在管道对接处设置的燃气检测传感器来检测管道是否漏气，由定位模块定位其位置，从而通过NB-IoT通信模块发送漏点信息给平台端或移动终端，即实现了对燃气管道泄漏的及时发现和漏点位置的判断及定位使用；NB-IoT技术具有低功耗、广覆盖、低成本以及小尺寸等特点，从而降低了安装后的维护成本、保证信号稳定传输、节省大量人力资源以及满足用户数量庞大的需求。

进一步地，所述控制器采用STM32L476RG单片机，所述控制器包括第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口、第四数据接口、第五数据接口、第六数据接口、第七数据接口、第八数据接口以及第九数据接口；

所述燃气检测传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述燃气检测传感器包括开关信号输出端以及模拟信号输出端；

所述定位模块包括定位信号发送端以及定位信号接收端；

所述NB-IoT通信模块采用BC95芯片，所述NB-IoT通信模块包括数据发送端、数据接收端、数据使能端、数据复位端以及模块输出振铃提示端；

所述第一数据接口与所述开关信号输出端连接，所述第二数据接口与所述模拟信号输出端连接，所述第三数据接口与所述定位信号发送端连接，所述第四数据接口与所述定位信号接收端连接，所述第五数据接口与所述数据发送端连接，所述第六数据接口与所述数据接收端连接，所述第七数据接口与所述数据使能端连接，所述第八数据接口与所述数据复位端连接，所述第九数据接口与所述模块输出振铃提示端连接。

从上述描述可知，提供一种控制器、燃气检测传感器、定位模块以及NB-IoT通信模块的优选实施例，采用STM32L476RG单片机，具有超低功耗、对环境和人体的辐射小以及可靠性好等特点，适合本实用新型中有可能放置于潮湿恶劣的地下环境；采用BC95芯片的NB-IoT通信模块，因具有紧凑的尺寸、超低功耗和超宽工作温度范围，使得可以为燃气管道监测提供完善的短信和数据传输服务。

进一步地，所述监控模块还包括声光报警模块，所述声光报警模块包括蜂鸣器和LED灯，所述蜂鸣器接入第一三极管的发射极，所述第一三极管的基极连接第一电阻，所述LED灯的正极连接有第九电阻，所述第九电阻的另一端与所述第一三极管的发射极连接，所述第一电阻的另一端与所述控制器连接。

从上述描述可知，在监控模块上还设置有声光报警模块，当气体泄漏时，蜂鸣器响起以警示路人，同时LED发出红光报警。

进一步地，所述监控模块还包括气体流量计、可燃气体传感器、气压传感器以及温湿度传感器，所述控制器分别与所述气体流量计、所述可燃气体传感器、所述气压传感器以及所述温湿度传感器连接。

从上述描述可知，利用可燃气体传感器、气体流量计、气压传感器及温湿度传感器等多种传感器功能来实现对燃气管道内燃气浓度、燃气流速、管内压力及管道周围温湿度的采集；另外，通过气体流量计计来对比监测发送燃气与接收燃气量是否一致；设置管内压力阈值上限来调节气体流量以控制管内压力；传感器采集到的信息发送给单片机以判断压力是否过大，流速是否过快等，从而起到监测和远程上传数据的作用。

进一步地，所述气体流量计为Azbil气体微小流量计，所述可燃气体传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述气压传感器为XGZP6847型芯片，所述温湿度传感器为DHT11芯片。

从上述描述可知，采用Azbil气体微小流量计以检测微小气体流量，同时具有压力损失小、量程范围大以及准确度高等特点，非常适合用于本实用新型的燃气管道；XGZP6847型号的气压传感器采用DIP封装形式，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿，以供电电压为参考，产生一个经过校准、温度补偿后的标准数字电压信号；DHT11可靠性高、稳定性长且具有精准的校准系数可供调用。

进一步地，所述监控模块还包括采用ADXL345型芯片的倾角传感器，所述倾角传感器包括倾角时钟信号端以及倾角数据传输端；

所述倾角时钟信号端与所述控制器的第十数据接口连接，所述倾角数据传输端与所述控制器的第十一数据接口连接。

从上述描述可知，ADXL345型号的倾角传感器可以测试出物体是否处于运动或静止状态和可以侦测出物体是否处于正在跌落的状态，从而判断出天然气管道周边是否出现的非法挖掘、非法施工以及人为破坏所能产生的撞击和振动，提高了防盗的可靠性；同时，ADXL345型号的倾角传感器集成了一个32级FIFO缓存器，用以缓存数据，减轻处理器的负担。

请参照图1至图4，本实用新型的实施例一为：

燃气管网智慧监测管理系统，包括监控模块，监控模块包括控制器、燃气检测传感器、定位模块U2、NB-IoT通信模块、声光报警模块、气体流量计、可燃气体传感器、气压传感器、温湿度传感器、电池和/或电源、燃气电磁阀、继电器以及控制阀，声光报警模块包括蜂鸣器LS和LED灯；

如图1所示，控制器分别与燃气检测传感器、定位模块U2、NB-IoT通信模块、气体流量计、可燃气体传感器、气压传感器、温湿度传感器、燃气电磁阀以及继电器连接，继电器与控制阀连接；通过设置有燃气电磁阀，当有漏气情况发生时控制器可以及时关闭燃气电磁阀，避免安全事故的进一步发生。

其中，监控模块设置于第一燃气管道与第二燃气管道的管道对接处，燃气检测传感器对准管道对接处。

如图2至图4，为各模块之间的电路连接示意图，控制器采用STM32L476RG单片机U1，控制器包括多个传输数据使用的I/O接口，I/O接口包括如前所述的第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口、第四数据接口、第五数据接口、第六数据接口、第七数据接口、第八数据接口、第九数据接口、第十数据接口以及第十一数据接口等等，下面各模块与控制器之间的了解以图2中STM32L476RG单片机U1的引脚名称为准，比如定位模块U2的定位信号发送端TXD与STM32L476RG单片机U1的PA0脚连接；

如图3所示，燃气检测传感器为MQ2烟雾传感器，在其他实施例中也可以为MP-4甲烷传感器或是其他可燃气体传感器，如图3所示，燃气检测传感器包括开关信号输出端以及模拟信号输出端MQ_OUT端，开关信号输出端接单片机的某一接口皆可，实现TTL开关信号输出。

如图2所示，定位模块U2包括定位信号发送端TXD以及定位信号接收端RXD，分别与STM32L476RG单片机U1的PA0脚、PA1脚连接，GPS信息读取应参考GNSS卫星协议分析。

如图2所示，NB-IoT通信模块采用BC95芯片U3，BC95芯片U3包括数据发送端TXD、数据接收端RXD、数据使能端EN、数据复位端RESET以及模块输出振铃提示端R1；分别与STM32L476RG单片机U1的PB0脚至PB4脚连接。

如图2所示，蜂鸣器LS接入第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的基极连接第一电阻R1，LED灯的正极连接有第九电阻R9，第九电阻R9的另一端与第一三极管Q1的发射极连接，第一电阻R1的另一端与STM32L476RG单片机U1的PA15脚连接。

如图2所示，气体流量计为Azbil气体微小流量计U4，可燃气体传感器为MP-4甲烷传感器U5，在其他实施例中还可以为MQ2烟雾传感器或其他可燃气体传感器，气压传感器为XGZP6847型芯片U6，温湿度传感器为DHT11芯片U7，Azbil气体微小流量计U4、MP-4甲烷传感器U5、XGZP6847型芯片U6以及DHT11芯片U7按照图2所示与STM32L476RG单片机U1的引脚连接。

在其他实施例上，各模块连接在STM32L476RG单片机U1的引脚可以发生改变，不以本实施例的引脚连接关系限定本实用新型。

对于本实施例来说，燃气管网智慧监测管理系统包括终端、IoT平台、应用平台和移动平台。终端采集到管网监测数据，通过CoAP协议，IoT平台获取终端的管网监测数据，IoT平台将监测数据的二进制格式自动转换为平台所能识别的JSON格式，供IoT平台展示燃气管网的相关实时检测数据和历史数据。同时在IoT平台下发管网状态预警命令时，IoT平台再将命令的JSON格式转化为二进制格式，供终端识别并执行命令，实现终端与IoT平台的数据传输。

其中IoT平台的开发主要通过开发设备Profile文件以及编解码插件来完成IoT平台的建立。应用平台就是通过HTML+CSS+JS来完成的，IoT平台和终端的连接时通过CoAP协议来实现的，而IoT平台和应用平台以及移动平台的连接则通过HTTP协议实现的。

其中，终端采用微信小程序的框架，移动端微信小程序的系统实现是由微信小程序、后端Java数据库和OC平台(华为云平台)组成的框架搭建构成。微信小程序通过发起wx.request请求服务器，由于小程序不能直接访问OC平台，所以使用spring boot框架的Java后端来转发微信的请求，由后端将请求发送到华为云平台上。平台返回结果给后端，后端再转发响应的结果转化为JSON格式发送给小程序。

其中，NB-IoT终端所采集的数据可直接通过基站上传云端，相比于ZigBee、Lora、蓝牙等无线传输技术，省去了组网步骤和网关，使得终端部署更加灵活，垂直应用更加方便。NB-IoT窄带物联网是一种专用物联网网络，与传统的2G、3G、4G网络相比，具有覆盖广、成本低、功耗少、信号穿透力强等优势。

其中，实现上述功能的单片机程序设计是：利用烟雾传感器、气体流量传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器、气压传感器、定位模块等多种传感器采集管道周围环境及位置信息，利用燃气检测传感器检测管道是否存在漏气，利用气体流量传感器来检测气流流量及已使用总量，判断管道压力是否过大，来判断是否报警、是否启动继电器通过控制器调节管道压力。同时这些信息传送到STM32L476RG单片机U1，通过NB-IoT通信模块上报到OceanConnect平台。

对于NB-IoT通信模块的数据上传指令：AT+NMGS＝数据长度，初始一段数据：用于唤醒NB-IoT。AT+NMGS是NB-IoT的发送数据的AT指令，该语句格式为“AT+NMGS＝(数据长度)，(初始唤醒NB-IoT的数据)\r\n”，因NB-IoT通信模块在不工作数据的时候会处于睡眠状态，所以需要主动发送数据来唤醒模块。

值得说明的是，对于本实用新型来说，所要保护的是监测模块的安装位置以及监测模块中各模块的连接关系以实现相应的功能。虽然本实用新型中涉及到控制器需要对信号进行处理，但是这些处理方法均是现有控制的常用方法，而上述平台、程序的说明也均是起到帮助理解本实用新型的作用，即在本实用新型的连接关系上，只要使用常规的控制方法即可实现本实用新型，故而不在此进行一一说明。

请参照图1至图4，本实用新型的实施例二为：

燃气管网智慧监测管理系统，在上述实施例一的基础上，监控模块还包括采用ADXL345型芯片U8的倾角传感器，如图4所示，倾角传感器包括倾角时钟信号端SCL以及倾角数据传输端SDA；倾角时钟信号端SCL以及倾角数据传输端SDA分别与STM32L476RG单片机U1的PB6脚、PB7脚连接。

其中，倾角时钟信号端SCL以及倾角数据传输端SDA连接有上拉电阻，倾角数据传输端SDA和倾角时钟信号端SCL两条信号线在空闲时均处于高电平，即释放总线的状态。而由于ADXL345芯片还可以通过SPI方式进行通信，在I2C模式下必须禁止SPI模式，即将管脚CS置高，以无效SPI功能。

综上所述，本实用新型提供的燃气管网智慧监测管理系统，通过在管道对接处设置的燃气检测传感器、可燃气体传感器、气压传感器来检测管道是否漏气，由定位模块定位其位置，从而通过NB-IoT通信模块发送漏点信息给平台端或移动终端，即实现了对燃气管道泄漏的及时发现和漏点位置的判断及定位使用；NB-IoT技术具有低功耗、广覆盖、低成本以及小尺寸等特点，从而降低了安装后的维护成本、保证信号稳定传输、节省大量人力资源以及满足用户数量庞大的需求；利用可燃气体传感器、气体流量计、气压传感器及温湿度传感器等多种传感器功能来实现对燃气管道内燃气浓度、燃气流速、管内压力及管道周围温湿度的采集；另外，通过气体流量计来对比监测发送燃气与接收燃气量是否一致；控制器采集气压传感器的压力值，设置管内压力阈值上限，控制器的信号输出端口通过输出PWM脉冲宽度调制信号，通过控制阀调节气体流量以控制管内压力；传感器采集到的信息发送给单片机以判断压力是否过大，流速是否过快等，从而起到监测和远程上传数据的作用；另外，当有漏气情况发生时控制器可以及时关闭燃气电磁阀，避免安全事故的进一步发生；倾角传感器对管网的倾斜角度进行监测，当管网被盗时，倾角传感器的数据和基准会出现偏差，从而达到有效报警，提高了防盗的可靠性；同时，通过选择合适的模块型号来配合，以使得整个监测系统在整体上具有成本低、范围大、功耗少、信号穿透力强以及稳定性高等优点，以适用于燃气管道所在的各种环境下。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：包括监控模块，所述监控模块包括控制器、燃气检测传感器、定位模块以及NB-IoT通信模块；

所述控制器分别与所述燃气检测传感器、所述定位模块以及所述NB-IoT通信模块连接；

所述监控模块设置于第一燃气管道与第二燃气管道的管道对接处，所述燃气检测传感器对准所述管道对接处。

2.根据权利要求1所述的燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：所述控制器采用STM32L476RG单片机，所述控制器包括第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口、第四数据接口、第五数据接口、第六数据接口、第七数据接口、第八数据接口以及第九数据接口；

所述燃气检测传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述燃气检测传感器包括开关信号输出端以及模拟信号输出端；

所述定位模块包括定位信号发送端以及定位信号接收端；

所述NB-IoT通信模块采用BC95芯片，所述NB-IoT通信模块包括数据发送端、数据接收端、数据使能端、数据复位端以及模块输出振铃提示端；

所述第一数据接口与所述开关信号输出端连接，所述第二数据接口与所述模拟信号输出端连接，所述第三数据接口与所述定位信号发送端连接，所述第四数据接口与所述定位信号接收端连接，所述第五数据接口与所述数据发送端连接，所述第六数据接口与所述数据接收端连接，所述第七数据接口与所述数据使能端连接，所述第八数据接口与所述数据复位端连接，所述第九数据接口与所述模块输出振铃提示端连接。

3.根据权利要求1所述的燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：所述监控模块还包括声光报警模块，所述声光报警模块包括蜂鸣器和LED灯，所述蜂鸣器接入第一三极管的发射极，所述第一三极管的基极连接第一电阻，所述LED灯的正极连接有第九电阻，所述第九电阻的另一端与所述第一三极管的发射极连接，所述第一电阻的另一端与所述控制器连接。

4.根据权利要求1所述的燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：所述监控模块还包括气体流量计、可燃气体传感器、气压传感器以及温湿度传感器，所述控制器分别与所述气体流量计、所述可燃气体传感器、所述气压传感器以及所述温湿度传感器连接。

5.根据权利要求4所述的燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：所述气体流量计为Azbil气体微小流量计，所述可燃气体传感器为MQ2烟雾传感器或MP-4甲烷传感器，所述气压传感器为XGZP6847型芯片，所述温湿度传感器为DHT11芯片。

6.根据权利要求1所述的燃气管网智慧监测管理系统，其特征在于：所述监控模块还包括采用ADXL345型芯片的倾角传感器，所述倾角传感器包括倾角时钟信号端以及倾角数据传输端；

所述倾角时钟信号端与所述控制器的第十数据接口连接，所述倾角数据传输端与所述控制器的第十一数据接口连接。

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