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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  
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  
(1安阳师范学院物理与电气工程学院河南安阳 455000;2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 STM32F405RG 微处理器完成  
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  
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 EngineeringAnyang Normal UniversityAnyang 455000China;  
2.College of Electronic Information and AutomationTianjin University of Science & TechnologyTianjin 300222China)  
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  
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  
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  
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。  
1 基于物联网的燃气管网泄漏检测系统总体结构  
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  
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  
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  
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  
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  
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  
Internet 网络上传至远程数据中心计算机。  
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 U1B NE5532 运算放大器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 . 7 kΩ, R2 . 7 kΩ, R3 15 kΩ, R4  
1 kΩ,R5 .7 kΩ,R6 .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 C1.5 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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