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基于物联网的燃气管网泄漏检测系统研究

更新时间：2019-12-24 11:04:10 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

根据城市公共安全管理的需求,设计并实现了一种基于物联网的燃气管网泄漏检测系统.采用高精度压电式动态压力传感器、无线传感器网络和GP S模块实现泄漏瞬变压力波信号的实时同步采集.为保证数据远程传输的实时性和可靠性,采用4G模块MC7710和STM32F405RG微处理器完成了4G网关的设计.远程数据中心采用基于互功率谱相位的广义互相关时延估计方法对现场信号分析和处理,实现了管网中燃气泄漏点的定位.实验结果表明,该系统数据传输稳定可靠,泄漏定位准确度高,能够满足燃气管网泄漏检测的需要.

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2016 年  
第 12 期  
2016  
No． 12  
仪 表 技 术 与 传 感 器  
Instrument Technique and Sensor  
基于物联网的燃气管网泄漏检测系统研究  
高相铭1 ，李研达1 ，杨世凤2 ，潘三博1  
(1ꢀ安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳 455000;2ꢀ天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)  
摘要:根据城市公共安全管理的需求，设计并实现了一种基于物联网的燃气管网泄漏检测系统。  
采用高精度压电式动态压力传感器、无线传感器网络和 GPS 模块实现泄漏瞬变压力波信号的实时同步  
采集。 为保证数据远程传输的实时性和可靠性，采用 ４G 模块 MC7710 和 STM32F４05RG 微处理器完成  
了 ４G 网关的设计。 远程数据中心采用基于互功率谱相位的广义互相关时延估计方法对现场信号分析  
和处理，实现了管网中燃气泄漏点的定位。 实验结果表明，该系统数据传输稳定可靠，泄漏定位准确度  
高，能够满足燃气管网泄漏检测的需要。  
关键词:燃气管网;泄漏瞬变压力波;物联网;４G 网关  
－ － －  
文章编号:1002 18４1(2016)12 0110 05  
中图分类号:TP212  
文献标识码:A  
Research on Leakage Detection System  
for Natural Pipeline Network Based on Internet of Things  
GAO Ｘiang-ming1 ，ＬI Yan-da1 ，YANG Shi-feng2 ，PAN San-bo1  
(1.School of Physics and Electrical Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China;  
2.College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)  
Abstract:According to the needs of urban public safety management，the leakage detection system for natural gas pipeline  
network was designed based on the internet of thingsꢀThe high precision piezoelectric dynamic pressure sensors and wireless sen-  
sor network and GPS module were applied to realize real-time synchronous acquisition function of leakage transient pressure  
wavesꢀIn order to guarantee the real time and reliability of remote data transmission，the MC7710 module and STM32F４05RG mi-  
croprocessor were applied to complete the design of gateway of ４GꢀThe time delay estimation method of generalized cross-correla-  
tion based on cross power spectrum phase was used to analyze and deal with the site signal in remote data centre，and the leakage  
position was located successfully in natural gas pipeline networkꢀExperimental results demonstrate that the system has advantage  
of reliable data transmission and high accuracy for locating the leakage position，and it can meet the requirements of leakage de-  
tection for natural gas pipeline networkꢀ  
Keywords:natural gas pipeline network;leakage transient pressure waves;internet of things;gateway of ４G  
0
引言  
城市燃气管网作为连接天然气长输管线与天然  
境保护因素出发，研发适用于城市燃气管网的泄漏智  
能检测技术，对于减少损失，保护人民生命和财产安  
全，保障城市燃气管网的安全稳定运行具有重要的理  
论意义和应用价值。 燃气管网发生泄漏时，泄漏点处  
会因为燃气介质流失而导致此处的气体密度减小，从  
而在泄漏点处产生瞬时压力降低并作用在燃气介质  
上成为减压波源。 这种泄漏瞬变压力波将在管网内  
通过管道和燃气介质向泄漏点的上下游传播。 通过  
检测并分析这种泄漏瞬变压力波将为准确判断燃气  
泄漏和精确定位泄漏点提供可靠依据。  
气用户的桥梁，担负着向企业和居民用户直接供气的  
重要职责。 随着城市燃气需求的急剧增加，城市燃气  
管网规模日趋庞大，安全隐患和风险也随之增加。 燃  
气具有易燃易爆的特性，泄漏后与空气混合，当其浓  
度达到爆炸极限时，遇火即发生爆炸。 另外，由于城  
市人口集中，如果发生事故，必将造成大量人员伤亡  
和重大财产损失，严重影响城市经济的发展和社会的  
－
稳定［1 ４］ 。 因此无论是从安全因素、经济因素还是环  
物联网(internet of things，IOT)是指将各种信息传  
感设备与短距离无线自组织网络相融合，并通过各种  
远程无线通信网络与互联网结合而形成的一种功能  
强大的智能网络，其中 ZigBee 无线传感器网络、４G 网  
基金项目:河南省科技攻关计划项目(162102210309);上海市  
教委科研创新项目(1４YZ160)  
万方数据  
－
－
收稿日期:2016 03 07  
第 12 期  
高相铭等:基于物联网的燃气管网泄漏检测系统研究  
111  
络和 Internet 是物联网的基础。 近年来，物联网技术  
ZigBee 网络中的传感器节点实现。 传感器节点是无  
线传感器网络的基本单元，其性能对整个网络的数据  
质量和整体性能产生直接影响。 传感器节点主要负  
责对燃气管网内的泄漏瞬变压力波信号和压力流量  
信号进行采集和处理，并将采集的信息以多跳路由的  
方式传递给 ４G 网关。 传感器节点硬件结构如图 2 所  
示，采用 CC2530 短距离无线通信芯片作为传感器节  
点的核心，并加入相应的外围电路:信号采集单元、信  
号调理单元、信号转换单元、时间同步单元、电源管理  
单元等完成传感器节点的设计。  
－
对促进多个行业的技术提升起到了重要作用［5  
。
8］  
本课题将研究一种基于物联网技术和泄漏瞬变  
压力波的燃气管网泄漏检测系统。  
1
系统总体设计  
燃气管网泄漏检测系统主要由 3 部分组成:无线传感  
器网络、４G 网络和远程数据中心。 系统结构如图 1 所示。  
图 1 基于物联网的燃气管网泄漏检测系统总体结构  
图 2 传感器节点硬件结构  
由于一个城市的燃气管网分布范围广，空间跨度  
大，为了对整个燃气管网中的泄漏瞬变压力波和运行  
状况进行全面监控，我们将其进行分区处理，即把整  
个城市的大管网按一定规律划分为多个分区。 通过  
在每个分区内建立各自独立的 ZigBee 无线传感器网  
络实现大管网的无缝监控。  
2.1 信号采集和信号调理单元设计  
信号采集单元主要由压电式动态压力传感器、压  
力传感器、流量传感器及其相关外围电路实现，负责  
将管道内介质的泄漏瞬变压力波和压力流量数据转  
换为电压信号。  
信号调理单元负责对各传感器输出的微弱电压  
信号进行滤波和放大处理，从而得到适合 A/ D 转换器  
输入的电压值。 限于篇幅，这里仅介绍泄漏瞬变压力  
波信号调理电路的设计。 信号调理主要实现信号的  
滤波和放大。  
ZigBee 网络和 ZigBee 网络之间相互独立，互不通  
信，只 有 网 络 内 部 节 点 可 以 相 互 交 换 数 据。 每 个  
ZigBee 网络都包括多个传感器节点和一个协调器节  
点，这些传感器节点布置在燃气管网管道井内，负责  
采集管线内燃气的压力、流量以及泄漏瞬变压力波参  
数。 为了做到不同传感器节点信号的严格同步采集，  
每个传感器节点都连接一个 GPS 模块作为时间同步  
单元。 传感器节点采集的数据通过多跳路由的方式  
在 ZigBee 网络中传输，最后到达 ４G 网关。  
滤波电路见图 3，放大电路见图 ４。  
４G 网关由 ZigBee 网络中的网络协调器来担任，  
主要负责建立和管理 ZigBee 网络，接收并汇总传感器  
节点上报的数据，将其进行融合处理后通过 ４G 模块  
和 Internet 网络上传至远程数据中心计算机。  
图 3 泄漏瞬变压力波信号低通滤波电路  
＋
通过整定图 3 中的电阻值和电容值，能够实现截  
止频率为 10 kＨz 的泄漏瞬变压力波信号低通滤波器。  
U1A 和 U1B 为 NE5532 运算放大器。 图 3 中元器件  
远程数据中心通过互联网 ４G 网络获取现场的  
燃气泄漏瞬变压力波信号和压力流量等数据后，对数  
据做进一步分析和处理，为燃气管网的泄漏精准检测  
和定位提供数据支持。  
＝
＝
＝
＝
参数为:R1 ４. 7 kΩ， R2 ４. 7 kΩ， R3 15 kΩ， R４  
＝
＝
＝
＝
1 kΩ，R5 ４.7 kΩ，R6 ４.7 kΩ，R7 20 kΩ，R8 1 kΩ，  
2
燃气管网泄漏瞬变压力波实时采集电路设计  
万方数据  
＝
＝
＝
＝
C1 C3 1.8 nF，C2 C４ 1.5 nF。  
燃气管网泄漏瞬变压力波实时采集功能由现场  

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