基于 LoRa 與 NB-IoT 的城市地下燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究

0 引 言

地下燃氣管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運行狀況信息的采集與監(jiān)控是燃氣管道管理的重要內(nèi)容 [1-2]。由于 TD-LTE 4G 技術(shù)具有大容量、高帶寬、安全可靠等優(yōu)勢，因此 TD-LTE 無線專網(wǎng)在數(shù)字化地下燃氣管道無線傳輸方面應(yīng)用最多 [3-4]。但是某些地下燃氣管道如城市房屋較密集地區(qū)，管道所處環(huán)境復(fù)雜， 信號遮擋嚴重，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋差，數(shù)據(jù)采集傳輸存在困難， 因此需要繞射能力強、具備抗干擾能力的無線技術(shù)來實現(xiàn)這些復(fù)雜場景下的無線數(shù)據(jù)傳輸。地下燃氣管道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不大、傳輸間隔長，數(shù)據(jù)速率要求低。LoRa 非常適合此類場合，雖然 LoRa 的傳輸距離可達幾千米，但想要覆蓋整個城市的地下管道還存在一定的局限性。NB-IoT 技術(shù)覆蓋范圍更大卻需要經(jīng)過運營商的蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來進行數(shù)據(jù)傳輸， 后期維護成本較大。本文將 LoRa 與 NB-IoT 相結(jié)合 [5-6]，針對現(xiàn)有單一通信方式所存在的問題提出優(yōu)化解決方案，實現(xiàn)可靠、安全、先進、高效的城市地下燃氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，既保證了數(shù)據(jù)的傳輸范圍，同時也降低了成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分以 STM32作為主控芯片，傳感器選用煙霧傳感器 MQ-5[7]。采用 LoRa和 NB-IoT 技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。軟件部分采用 C 語言在MDK5 和 Visual 環(huán)境下編寫主控芯片和上位機程序。

圖 1 所示為本文設(shè)計方案的總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要包括監(jiān)測終端，云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，LoRa 和 NB-IoT 星型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，信號采集終端 4 個部分。其中傳感器是信息傳輸?shù)钠瘘c，煙霧傳感器首先檢測空氣中的瓦斯?jié)舛龋賹z測到的信息轉(zhuǎn)化為電壓輸出，由于輸出的電壓是一個模擬量，其輸出端口連接到 STM32 片內(nèi) 1 號 A/D 轉(zhuǎn)換器的通道 1，經(jīng)由 STM32 將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這時內(nèi)部的算法會判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯瑯耍賹?shù)據(jù)通過串口 1 傳輸給 LoRa 模塊。通過LoRaWAN 傳輸?shù)交荆就ㄟ^ NB-IoT 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，通過地面的上位機處理數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)的 MCU 芯片 STM32F103C8T6 是基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核 STM32 系列的 32 位微控制器，具有 64 kB 的程序存儲容量，20 kB 的 RAM 容量，完全可以滿足煙霧傳感器的需要。

LoRa 模塊選用 E32-TTL-100， 該模塊是一款基于SX1278 射頻芯片的無線串口模塊（USART），其功耗低，抗擾特性強 [8-9]，數(shù)據(jù)傳輸更可靠，并且支持測距和定位。綜合SX1278射頻芯片的諸多優(yōu)點，將其選作本文設(shè)計的LoRa模塊。

圖 2 所示為檢測終端的硬件結(jié)構(gòu)圖。煙霧傳感器檢測到空氣中的瓦斯?jié)舛群髮⑵鋫鹘o與之相連的 STM32 的 A/D1 端口，由 STM32 片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳給串口 USART1，通過與串口相連的 LoRa 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)出，采用 3.3 V 電源供電。

                                                                                                                                                   圖 2 監(jiān)測終端硬件框圖

圖 3 所示為信號中繼模塊硬件框圖。LoRa 和 NB-IoT 分別接在串口 1 和串口 2，LoRa 接到監(jiān)測終端發(fā)出的信號后從串口 1 將其傳入 STM32，由 STM32 將信號轉(zhuǎn)為 AT 指令， 最后經(jīng)串口 2 交給 NB-IoT 并發(fā)送至云端。模塊采用 3.3 V 電源供電。

                                                                                                                                                   圖 3 信號中繼模塊硬件框圖

NB-IoT 模塊選用 BC95， 這是一款高性能、低功耗的NB-IoT 無線通信模塊 [10]。NB-IoT 部署于運行商通信頻段， 信號穿透能力更強，覆蓋范圍更廣，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更穩(wěn)定，能夠提供完善的室內(nèi)信號覆蓋服務(wù)。

3 軟件設(shè)計

軟件部分分為監(jiān)測終端和信號中繼模塊兩部分，利用軟件 MDK5 對控制芯片 STM32 進行編程。

3.1 監(jiān)測終端程序設(shè)計

監(jiān)測終端模塊是系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器監(jiān)測模塊采集到的數(shù)據(jù)通過 LoRa 模塊以射頻傳輸方式與 NB-IoT 通信。煙霧傳感器首先感測空氣中的瓦斯?jié)舛?，之后將采集到的?shù)據(jù)傳給 STM32 控制芯片處理，這時 STM32 會將接收到的信號先進行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后通過串口交由 LoRa 發(fā)送出去。監(jiān)測終端程序流程如圖 4 所示。

3.2 信號中繼模塊程序設(shè)計

信號中繼模塊由 NB-IoT，LoRa 以及 STM32 控制芯片組成，可以使信號傳輸更遠，覆蓋范圍更廣。信號中繼模塊的程序流程如圖 5 所示。

4 系統(tǒng)測試與分析

首先針對 LoRa 進行測試。選擇在湖邊的辦公樓放置一個監(jiān)測終端，同時使 LoRa 信號接收端遠離辦公樓，觀察接收到的信號質(zhì)量。這時可以發(fā)現(xiàn)向房屋較多地區(qū)移動的兩個LoRa 信號接收端的有效接收距離分別為 1.9 km 和 2.0 km， 而穿過空曠湖面的 LoRa 信號接收端可以接收到 2.2 km 以外的信號。LoRa 傳輸距離示意如圖6 所示，實測數(shù)據(jù)見表1 所列。

現(xiàn)將節(jié)點分部部署，然后人工模擬燃氣泄漏時的情形， 這時就可以從 SKYATE 物聯(lián)網(wǎng)云平臺觀察到燃氣管道的狀態(tài)。SKYATE 云平臺具有全中文顯示、界面友好、易于操作的人機界面，主菜單界面包含各個子界面的按鈕，如圖7 所示。操作人員可以根據(jù)對系統(tǒng)監(jiān)測、維護的實際需要進入各個界面進行實際操作，并對其中一些關(guān)鍵參數(shù)進行修改。從安全層面考慮，SKYATE 云平臺采用分級授權(quán)，如果操作人員沒有達到級別，系統(tǒng)就不會執(zhí)行該操作員的命令。根據(jù)模擬燃氣管道泄漏情況得到的實測數(shù)據(jù)見表 2 所列。

5 結(jié) 語

本文針對管道泄漏問題，以 LoRa 與 NB-IoT 相結(jié)合的通信技術(shù)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計了一種全新的智能城市地下燃氣泄漏監(jiān)測方案。經(jīng)過實驗測試，該監(jiān)控系統(tǒng)可以較好地監(jiān)測燃氣管道泄漏的問題，并在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸過程的節(jié)能性和高效性，具有一定的市場價值和廣闊的社會應(yīng)用前景。