基于物联网技术的城市燃气监控系统研究设计

赵志平

（武汉大学动力与机械学院，武汉 430072）

基于物联网技术的城市燃气监控系统研究设计

赵志平

（武汉大学动力与机械学院，武汉 430072）

为实现对城市燃气管网实时有效的监控，提出了将物联网技术应用到燃气自动监控系统中，对城市燃气监控现场数据进行实时监测，本文主要对基于物联网技术的城市燃气监控系统进行分析探讨。

物联网技术；城市燃气；监控系统；研究设计

1 引言

随着我国天然气行业的快速发展，城市管道燃气用户数量激增，传统的以燃气管网监控和用气计量收费为基础的城市燃气运营管理模式已不能适应现代城市燃气供应服务的需求，迫切需要全面感知终端用户用气状态。应用物联网技术实现城市燃气管网SCADA系统，是智慧城市建设重要体现。

2 基于物联网下城市燃气系统规划

2.1 物联网技术在城市燃气输配自动化应用

物联网作为智慧城市应用的一个分支，是近几年热炒的一个概念，它通过射频识别（RFID）等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网结构有多种提法，普遍接受的是国际电信联盟提出的感知层、网络层和应用层三层结构。

感知层是物联网的核心，它由各种传感器以及传感器网关构成，如城市燃气监控常用的温度、压力、流量和燃气泄露传感器、以及管网设备RFID标签、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用是局部区域内完成物体识别和信息采集。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，实质就是信息与知识聚合，在城市燃气监控中用到的无线GPRS网和有线公用网；应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它需要与具体行业需求结合，如和城市燃气结合，就实现物联网在城市燃气管理方面的应用。在三层构架上采取开放式架构，实现智慧城市大量数据终端接入（含实体和虚拟终端，如已建的门站、储配站和LNG站可以抽象为一个虚拟终端），解决了网络传输异构协议的转换，在应用层通过城市燃气管网和各子站“集散控制”，实现城市燃气输配自动化调度和管理。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 主机设计方案

系统主机主要利用传感器实现无线传感器网络普通节点的信息采集，当采集的数据超过之前已设定阀值就输出控制信号，控制调压站、门站阀门的开关，通过移动通信网络和互联网完成感知终端与传感器之间的数据传输和接收。阀门的所有状态均经过模数转化后传递给STM32微处理器（MCU），STM32微处理器根据之前设定的阀值对获得数据进行处理判断，并发出控制信号。另一方面移动通信网络将控制的结果反馈给终端管理，终端管理也可以通过无线网络对STM32微处理器发出指令。

该监控系统主机部分主要包含STM32处理器、电源模块、eEPROM模块GPRS无线通信模块、传感器节点、人机显示界面。传感器节点能够实现监控现场数据的采集，采集数据包括：调压站燃气进气和出气压力、瞬时流量和累计流量、泄漏浓度、温度等；GPRS无线通信模块可以将采集的数据进行无线远传，人机显示燃气管网实时信息；电源模块向市燃气管网监控系统提供电源；eEPROM模块对采集到的数据、故障等信息进行存储，调度人员根据得到数据对开关阀、调节阀进行控制。采用物联网技术将采集到的数据应用到城市燃气输配SCADA系统中，提高燃气系统的自动化和信息化水平。城市燃气监控系统主要由调度中心、网络通信系统、调压站和门站的数据监测及现场检测仪表、传感器、执行机构等部分组成，保证城市燃气管网的中心实时监控和统一调度管理功能，保障城市燃气安全可靠供应。管理板以STM32处理器为核心，通过RS-232与保护板通信，并在液晶上显示燃气监控现场环境实时状况，方便用户查看。同时还可通过按键操作实现良好的人机交互功能。管理板主要由显示屏、键盘、指示灯及通信接口及其他外围电路组成。

2.2.2 GPRS无线通信模块

GPRS无线通信能够将传感器节点采集到的数据传至互联网，监控人员通过互联网可以获得实时监控数据，并可进行存储。传感器节点中具有无线通信蓝牙装置，可以实现与GPRS无线通信模块之间的双向通信。传感器节点采用星型拓扑结构，当单个传感器节点出现故障时不影响整个无线网络，同时防止传感器节点之间相互干扰，相互之间不能进行通信。GPRS无线通信模块与STM32微处理器之间通过串行口进行通信。

2.2.3 传感器节点

传感器节点安装在监控现场，对现场燃气设施进行监控，传感器能够对监控现场数据进行实时采集。传感器将采集到数据经过模拟信号转化为数字信号后，传至数据处理单元进行处理放大，将数据传输到STM32微处理器中。再通过无线收发装置将处理后数据发送至GPRS无线通信基站，而数据远传则通过GPRS模块实现。传感器采用MQ-2气体传感器，其采用电导率较低的二氧化锡，具有抗干扰能力强的特点，受水蒸气、烟等干扰气的影响较小。

2.3 软件设计

在人机界面监测管理系统输入相应的信息后，STM32处理器通过GPRS通信模块接收信息，在人机界面可以设置城市燃气管网阀门开关时间值。同时，通过STM32处理器检测阀门开关状态信息，并经过GPRS通信模传输到终端管理系统。比如，某节点的传感器检测到燃气出现泄漏，会向监控人员发出声光报警，同时将检测到的信息无线发给STM32处理器并在人机界面显示，也可以直接发至用户手机终端上，监控人员可以通过人机界面迅速关断燃气阀门，抢险人员第一时间赶到现场抢修，防止燃气泄漏事故的发生。

3 结束语

通过物联网技术，无论身在什么地方，都可以根据传感器节点采集到的信息，对燃气阀门开关操作，实现远程控制系统。这样既解决了燃气计量收费的基础数据问题，也解决了燃气公司对用户用气状态的数据采集问题。■

[1] 谢木军．王孜，徐水明．物联网技术在燃气安全领域的应用[J]．城市燃气，2013(03): 34-29

[2] 张铁军．城市燃气管网SCADA系统设计与实现[J]．石油化工自动化，2012, 48(02): 49-52

[3] 杨坤海．城市燃气管网SCADA系统的设计及应用[J]．石油化工自动化，2010(5): 10-13

[4] 尉如根，郑立新．基于地理信息系统的燃气管网综合管理系统建设[J]．城市燃气，2011(6): 39-44

Research and Design of City Gas Monitoring System Based on IoT Technology

Zhao Zhip ing
(School of power and mechanical engineering Wuhan University, Wuhan, 430072)

In order to realize the real-time monitoring of city gas pipeline network, the technology of IoT (Internet of things) is applied to the automatic monitoring and control system of gas. Based on this, in this paper, city gas monitoring system based on IoT technology has been mainly analyzed.

IoT technology; city gas; monitoring system; research and design

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.04.008

TN 92，TU 996

B

1672-7274（2017）04-0028-02