一种基于NB-IOT的低功耗燃气井智能监测系统 |
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| 申请号 | CN202322625560.3 | 申请日 | 2023-09-27 | 公开(公告)号 | CN220794234U | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 西安中星测控有限公司; | 发明人 | 邢靖虹; 罗超; 晏峰; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统，包括：设置于井盖盖体底面上的第一 传感器 模 块 、第二传感器模块、处理模块、电源模块以及通信模块；第一传感器模块，用于持续检 测井 盖 开关 状态；第二传感器模块，用于持续检测燃气井内燃气浓度；处理模块，用于在井盖开关状态为开启时，关闭第二传感器模块，以及，用于在接收到燃气井内燃气浓度达到预设报警 阈值 时，通过通信模块发送燃气泄露信息到监测中心；电源模块，用于向第一传感器模块、第二传感器模块、处理模块以及通信模块供电。本申请提供的基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统能够在低功耗条件下对燃气井盖状态及可燃气体泄露进行实时监测。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统，其特征在于，包括：设置于井盖盖体底面上的第一传感器模块、第二传感器模块、处理模块、电源模块以及通信模块； |
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| 说明书全文 | 一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统技术领域[0001] 本申请涉及城市燃气系统管理领域，尤其涉及一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统。技术背景 [0002] 目前，对于城市燃气管网井盖管理一般采用人工巡检的管理方式，巡检人员携带便携式检测设备，逐一对燃气管道及其附件进行检测，便携式检测设备在燃气管道发生泄漏并达到一定浓度时进行报警，巡检人员再进行处理。采用该种管理方式，无法实时进行监测，在夜间或人员稀少地段出现燃气泄漏等突发事件不易被发现，也无法准确定位发生故障的井盖位置，并且巡检的周期长，耗费人力物力。 [0003] 随着物联网技术的发展，对于城市燃气管网井盖管理也出现了一些采用低功粍广域网(LPWAN)技术的监测系统，但存在以下问题： [0005] 2.燃气井下经常会出现溢水情况，而由于可燃气体检测传感器检测原理的限制，防水等级普遍较低，如果燃气井下出现了溢水情况，会直接损害传感器功能。实用新型内容 [0006] 针对上述问题，本申请提供了一种基于窄带物联网(NB‑IOT)的低功耗燃气井智能监测系统，该智能监测系统能够在低功耗条件下对燃气井盖状态及可燃气体泄露进行实时监测。 [0007] 为实现本申请的目的，本申请提供如下的技术方案： [0008] 第一方面，本申请提供一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统，包括：设置于井盖盖体底面上的第一传感器模块、第二传感器模块、处理模块、电源模块以及通信模块； [0010] 所述第二传感器模块，用于持续检测燃气井内燃气浓度； [0011] 所述处理模块，用于在所述井盖开关状态为开启时，关闭第二传感器模块，以及，用于在接收到所述燃气井内燃气浓度达到预设报警阈值时，通过所述通信模块发送燃气泄露信息到监测中心； [0012] 所述电源模块，用于向所述第一传感器模块、所述第二传感器模块、所述处理模块以及所述通信模块供电。 [0013] 在一种可能的实现方式中，所述处理模块，包括：第一断路单元、燃气泄漏判断单元； [0014] 所述第一断路单元，用于接收所述井盖开关状态为开启时，关闭第二传感器模块； [0015] 所述燃气泄漏判断单元，用于接收所述燃气井内燃气浓度，在所述燃气井内燃气浓度达到预设报警阈值时，通过所述通信模块发送燃气泄露信息到监测中心。 [0017] 在一种可能的实现方式中，所述处理模块，还用于在接收到所述溢水信号时，关闭第二传感器模块，并发送所述溢水情况到所述监测中心。 [0018] 在一种可能的实现方式中，所述处理模块，还包括：第二断路单元、溢水报警单元； [0019] 所述第二断路单元，用于在接收到所述溢水信号时，关闭第二传感器模块； [0020] 所述溢水报警单元，用于在接收到所述溢水信号时，通过所述通信模块，发送出现溢水通知到监测中心。 [0021] 在一种可能的实现方式中，所述处理模块，还包括：模块开启单元，用于在所述井盖开关状态为关闭时，在预设时间后开启所述第二传感器模块。 [0022] 在一种可能的实现方式中，智能监测系统还包括：设置于井盖盖体底面上的定位模块，用于采集井盖的位置信息并通过通信模块发送到监测中心。 [0023] 在一种可能的实现方式中，所述通信模块为NB‑IOT无线通信模块。 [0024] 在一种可能的实现方式中，智能监测系统还包括：壳体，用于保护设置在所述井盖底面的所述第一传感器模块、所述第二传感器模块、所述处理模块、所述电源模块以及所述通信模块。 [0025] 在一种可能的实现方式中，所述壳体的防水等级为IP68。 [0026] 第二方面，申请提供一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法，包括： [0028] S102，根据所述燃气井井盖的平均倾角数值，判断所述燃气井井盖是否为打开状态； [0029] S103，在所述燃气井井盖为打开状态时，关闭燃气传感器。 [0030] 在一种可能的实现方式中，所述计算所述燃气井井盖的平均倾角数值的方法为： [0031] [0032] 其中，θx为所述燃气井井盖平均倾角数值； [0033] k为加速度传感器在滤波窗口设定时间内，依照采样间隔时间采集到倾角数值的数量； [0034] θn+θn‑1+…+θn‑k+1为加速度传感器在滤波窗口设定时间内，依照采样间隔时间采集到的全部倾角数值。 [0035] 在一种可能的实现方式中，所述判断所述燃气井井盖是否为打开状态的方法为： [0036] 当|θx‑θ1|>θ0时，判断所述燃气井井盖为打开状态； [0037] 其中，θx为所述燃气井井盖平均倾角数值；θ1为所述燃气井井盖初始背景倾角数值；θ0为预设倾角数值。 [0038] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0039] S201，通过设置在燃气井井盖盖体底面的水浸传感器，判断是否存在浸水情况； [0040] S202，在存在所述浸水情况时，关闭燃气传感器。 [0041] 在一种可能的实现方式中，所述判断是否存在浸水情况的方法为： [0042] 当水浸传感器输出为低电平时，判断存在浸水情况。 [0043] 在一种可能的实现方式中，所述加速度传感器在所述燃气井井盖处于运动状态时进入工作模式，在所述燃气井井盖处于静止状态时进入休眠模式。 [0044] 在一种可能的实现方式中，所述加速度传感器具有运动检测模块，在检测到所述燃气井井盖处于运动状态时控制所述加速度传感器进入工作模式，在所述燃气井井盖处于静止状态时进入休眠模式。 [0045] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0046] S301，在所述燃气井井盖为关闭状态时，开启所述燃气传感器； [0047] S302，在所述燃气传感器检测到所述燃气井内部燃气浓度达到预设报警阈值时，发送燃气泄漏信息到监测中心，所述燃气泄漏信息包含燃气井位置信息。 [0048] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0049] S203，在存在所述浸水情况时，发送浸水信息到监测中心，所述浸水信息包含燃气井位置信息。 [0052] 图1为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统的结构示意图； [0053] 图2为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统的结构示意图； [0054] 图3为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法的流程示意图； [0055] 图4为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法的流程示意图； [0056] 图5为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法的流程示意图； [0057] 图6为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法三轴加速度计轴向加速度示意图。 具体实施方式[0058] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0059] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。 [0060] 实施例1 [0061] 图1‑2为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统，如图1‑2所示，包括：设置于井盖盖体底面上的第一传感器模块、第二传感器模块、处理模块、电源模块以及通信模块； [0062] 所述第一传感器模块，用于持续检测井盖开关状态； [0063] 所述第二传感器模块，用于持续检测燃气井内燃气浓度； [0064] 所述处理模块，用于在所述井盖开关状态为开启时，关闭第二传感器模块，以及，用于在接收到所述燃气井内燃气浓度达到预设报警阈值时，通过所述通信模块发送燃气泄露信息到监测中心； [0065] 所述电源模块，用于向所述第一传感器模块、所述第二传感器模块、所述处理模块以及所述通信模块供电。 [0066] 可选的，所述第一传感器模块，包括：第一传感单元与井盖状态判断单元；所述第一传感单元用于采集井盖的倾斜角度，所述井盖状态判断单元用于在井盖的倾斜角度大于90°时判断井盖为开启状态。 [0067] 其中，第一传感器模块、第二传感器模块与处理模块、电源模块连接；所述处理模块还与通信模块、电源模块连接；所述通信模块与电源模块连接；监测中心为能够接收通信信号的任意装置。 [0068] 可选的，所述第一传感器模块为加速度传感器，该传感器能够通过软件驱动完成加速度计芯片参数的设置，实现井盖倾斜角度实时监测，参数包括井盖异动检测阈值、数据输出速率等，同时井盖倾斜角度也作为激光甲烷传感器采样有效数值的判断依据，实现可靠燃气浓度泄露监测； [0069] 可选的，加速度传感器可实现正常工作模式下以微安级别的微小电流连续实时进行加速度数值采样，并通过角度解算算法将加速度数值转换为井盖倾角数值，当处理器进入低功耗模式之后，加速度传感器仍然可以连续实时采集所监测燃气井盖的加速度数值，以实现低功耗的井盖异动状态检测，当检测到燃气井盖当前倾角数值大于90°时，通过结合传感器安装位置，可判断井盖为打开状态，井下燃气浓度此时采样不准确，此时可关闭激光甲烷传感器，从而节省功耗，并且，加速度传感器通过芯片封装，焊接在PCB板上，与处理器通过管脚连接，使用SPI接口进行数据传输。 [0070] 可选的，所述第二传感器模块为激光甲烷传感器，激光甲烷传感器通过串口与处理进行通信，以扩散式检测方式，完成甲烷浓度数据采样。将激光甲烷传感器应用于井下环境，可有效减少外界环境对传感器采样精度的影响，具备功耗低、精度高、温度漂移较小等特点，通过主控芯片实现NB无线数据通信，完成远程传感器调零与校准，提高了检测精度与实用寿命； [0071] 激光甲烷传感器通过线缆与主控板连接，将井盖异动与甲烷浓度检测结合在同一主控板，整机体积减小，结构设计可做到尽可能小型化，有效节省了空间，并且方便安装在燃气井盖背面进行井盖状态及井下甲烷气体泄露监测。 [0072] 可选的，每个所述处理模块都具有唯一标签，向监测中心发送信息时，会同时发送标签信息，监控中心可通过标签信息确定处理模块对应的燃气井位置。 [0073] 在一种可能的实施方式中，所述加速度传感器为三轴加速度传感器，设置X轴与Y轴在同一水平面内，再通过X轴、Y轴与Z轴的构成的平面倾角，确定井盖的倾斜角度。 [0074] 在一种可能的实施方式中，所述处理模块，包括：第一断路单元、燃气泄漏判断单元； [0075] 所述第一断路单元，用于接收所述井盖开关状态为开启时，关闭第二传感器模块； [0076] 所述燃气泄漏判断单元，用于接收所述燃气井内燃气浓度，在所述燃气井内燃气浓度达到预设报警阈值时，通过所述通信模块发送燃气泄露信息到监测中心。 [0077] 在一种可能的实施方式中，智能监测系统还包括：设置于井盖盖体底面上的第三传感器模块，用于检测燃气井下的溢水情况，在出现所述溢水情况时发送溢水信号到所述处理模块。 [0078] 可选的，第三传感器模块为水浸检测探头，水浸探头可通过主控板外部触发引脚连接。 [0079] 在一种可能的实施方式中，所述处理模块，还用于在接收到所述溢水信号时，关闭第二传感器模块，并发送所述溢水情况到所述监测中心。 [0080] 在一种可能的实施方式中，所述处理模块，还包括：第二断路单元、溢水报警单元； [0081] 所述第二断路单元，用于在接收到所述溢水信号时，关闭第二传感器模块； [0082] 所述溢水报警单元，用于在接收到所述溢水信号时，通过所述通信模块，发送出现溢水通知到监测中心。 [0083] 在一种可能的实施方式中，所述处理模块，还包括：模块开启单元，用于在所述井盖开关状态为关闭时，在预设时间后开启所述第二传感器模块。 [0084] 可选的，当检测到井盖恢复正常为闭合状态时，可在延迟一定时间后，再次开启激光甲烷传感器，确保燃气泄露浓度采样更接近真实数值，且实现系统的低功耗运行。 [0085] 在一种可能的实施方式中，智能监测系统还包括：设置于井盖盖体底面上的定位模块，用于采集井盖的位置信息并通过通信模块发送到监测中心。 [0086] 可选的，所述定位模块可通过GPS定位技术、北斗卫星导航技术等实现对井盖的定位。 [0087] 在一种可能的实施方式中，所述通信模块为NB‑IOT无线通信模块。 [0088] 其中，NB‑IOT无线通信模块的覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优，能够增加电源的使用寿命。 [0089] 在一种可能的实施方式中，智能监测系统还包括：壳体，用于保护设置在所述井盖底面的所述第一传感器模块、所述第二传感器模块、所述处理模块、所述电源模块以及所述通信模块。 [0090] 在一种可能的实施方式中，所述壳体的防水等级为IP68。 [0091] 采用本申请实施例的有益效果如下：通过本申请提供的基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测系统，能够利用加速度传感器在超低功耗下对燃气管网井盖状态实现连续的实时的监测；在燃气管网井盖状态为打开时，关闭激光甲烷传感器，在燃气管网井盖状态为闭合时，开启激光甲烷传感器对井下燃气泄露浓度进行监测；并且通过水浸探头，监测井下的水浸情况，在出现水浸情况时，关闭激光甲烷传感器；已达到避免采集数据无效、减小系统运行功耗的效果。 [0092] 实施例2 [0093] 图3‑6为本申请实施例提供的一种基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法，包括： [0094] S101，通过设置在燃气井井盖盖体底面的加速度传感器，计算所述燃气井井盖的平均倾角数值。 [0095] 其中，所述加速度传感器为三轴加速度传感器，设置X轴与Y轴在同一水平面内，再通过X轴、Y轴与Z轴的构成的平面倾角，确定井盖的倾斜角度。 [0096] S102，根据所述燃气井井盖的平均倾角数值，判断所述燃气井井盖是否为打开状态。 [0097] S103，在所述燃气井井盖为打开状态时，关闭燃气传感器。 [0098] 其中，加速度传感器属于芯片封装，在硬件设计中可以焊接在PCB板上与处理器通过相应管脚连接，使用SPI接口进行数据传输；具备运动检测与中断信号输出功能，可通过软件驱动完成加速度计芯片参数的设置，参数包括井盖倾斜角度检测阈值、数据输出速率以及运动中断触发功能使能等，实现井盖倾斜角度实时监测，同时作为燃气传感器采样有效数值的判断依据，实现可靠燃气浓度泄露监测；可实现正常工作模式下以微安级别的微小电流连续实时进行加速度数值采样，并通过角度解算算法将加速度数值转换为井盖倾角数值，当处理器进入低功耗模式之后，加速度传感器仍然可以连续实时采集所监测燃气井盖的加速度数值，以实现低功耗的井盖倾斜角度检测。 [0099] 在一种可能的实现方式中，所述计算所述燃气井井盖的平均倾角数值的方法为： [0100] [0101] 其中，θx为所述燃气井井盖平均倾角数值； [0102] k为加速度传感器在滤波窗口设定时间内，依照采样间隔时间采集到倾角数值的数量； [0103] θn+θn‑1+…+θn‑k+1为加速度传感器在滤波窗口设定时间内，依照采样间隔时间采集到的全部倾角数值。 [0104] 其中，滤波窗口设定时间与采样间隔时间提前设定，例如：滤波窗口设定时间为2s，间隔采样时间为100ms。 [0105] 在一种可能的实现方式中，如图6所示，所述三轴加速度传感器检测所述燃气井井盖倾角数值的方法为： [0106] XYZ三个敏感轴向加速度分别为，AX，AY，AZ，单位：g；(重力加速度1个g)[0107] 加速度传感器设置在井盖底面靠近井盖开口一侧，若AZ为正值，则判断井盖为大于90度翻开状态；若AZ为负值，则判断井盖未发生翻转，角度为锐角。 [0108] 所述倾角的具体计算公式为： [0109] θx＝sin‑1AX×180÷π(单位：度)； [0110] θy＝sin‑1AY×180÷π(单位：度)； [0111] [0112] 采用该种实施方式，在三维空间内，我们采用的三轴加速度计，可敏感XYZ三个轴向的加速度数值，通过Z轴判断井盖方向，通过XY轴所确定的平面，计算该面角度与水平面的夹角，单轴倾角用于井盖异动检测可靠性不如双轴面角度判断，受振动干扰影响更大。 [0113] 在一种可能的实现方式中，所述判断所述燃气井井盖是否为打开状态的方法为： [0114] 当|θx‑θ1|>θ0时，判断所述燃气井井盖为打开状态； [0115] 其中，θx为所述燃气井井盖平均倾角数值；θ1为所述燃气井井盖初始背景倾角数值；θ0为预设倾角数值。 [0116] 可选的，预设倾角数值θ0为90°，当检测到燃气井盖当前倾角数值大于90°时，通过结合传感器安装位置，判断井盖为打开状态，井下燃气浓度此时采样不准确，此时关闭天然气传感器。当检测到井盖恢复正常，为闭合状态，可延时一定时间后，再次开启天然气传感器，进行定时燃气浓度采样，确保采样数据准确，降低耗电。 [0117] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0118] S201，通过设置在燃气井井盖盖体底面的水浸传感器，判断是否存在浸水情况。 [0119] S202，在存在所述浸水情况时，关闭燃气传感器。 [0120] 在一种可能的实现方式中，所述判断是否存在浸水情况的方法为： [0121] 当水浸传感器输出为低电平时，判断存在浸水情况。 [0122] 可选的，水浸传感器输出为开关量信号，在每次定时燃气采样时间之前，单片机程序先判断水浸传感器输出是否为低电平，若为低电平，则说明浸水，单片机程序将燃气传感器电源芯片控制引脚输出低电平，切断燃气传感器供电，不进行采样；反之若水浸传感器输出为高电平，则未浸水，单片机程序将燃气传感器电源芯片控制引脚输出高电平，燃气传感器正常供电，正常进行采样。 [0123] 可选的，水浸传感器的水浸检测探头可通过主控板外部触发引脚相连接。 [0124] 在一种可能的实现方式中，所述加速度传感器在所述燃气井井盖处于运动状态时进入工作模式，在所述燃气井井盖处于静止状态时进入休眠模式。 [0125] 在一种可能的实现方式中，所述加速度传感器具有运动检测模块，在检测到所述燃气井井盖处于运动状态时控制所述加速度传感器进入工作模式，在所述燃气井井盖处于静止状态时进入休眠模式。 [0126] 可选的，正常工作模式下，单片机处理器可处于休眠模式，降低整机功耗，加速度处于待机模式，将中断输出IO口与单片机外部触发检测IO口连接，当触发运动检测中断后，单片机被唤醒处理中断响应，满足角度报警条件，则发送报警信息，不满足则继续进入休眠模式。 [0127] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0128] S301，在所述燃气井井盖为关闭状态时，开启所述燃气传感器； [0129] S302，在所述燃气传感器检测到所述燃气井内部燃气浓度达到预设报警阈值时，发送燃气泄漏信息到监测中心，所述燃气泄漏信息包含燃气井位置信息。 [0130] 在一种可能的实现方式中，监测方法还包括： [0131] S203，在存在所述浸水情况时，发送浸水信息到监测中心，所述浸水信息包含燃气井位置信息。 [0132] 在一种可能的实现方式中，燃气传感器可以为激光甲烷传感器，其通过串口与处理元件进行通信，以扩散式检测方式，完成甲烷浓度数据采样；激光甲烷传感器应用于井下环境，可有效减少井下恶劣环境对传感器采样精度的影响，其具备功耗低、精度高、温度漂移较小等特点，通过主控芯片可实现NB无线数据通信，完成远程传感器调零与校准，大大提高了燃气井甲烷泄露监测的可靠性与产品寿命。 [0133] 在一种可能的实现方式中，该方法通过无线通信NB‑IOT方式进行状态数据上报与配置指令下发，具体为： [0135] 心跳状态信息上报，包括当前倾角、电池电量、燃气浓度、产品状态等； [0136] 报警信息上报； [0138] 设备休眠指令下发； [0139] 采集初始背景角度； [0140] 复位指令下发； [0141] 恢复出厂设置指令下发。 [0142] 在一种可能的实现方式中，燃气传感器通过线缆与主控板连接，将井盖异动与甲烷浓度检测结合在同一主控板，整机体积减小，结构设计可做到尽可能小型化，有效节省了空间，并且方便安装在燃气井盖背面进行井盖状态及井下甲烷气体泄露监测。 [0143] 可选的，所述燃气传感器、水浸传感器、处理模块、通信模块、电源模块集成在电路板上，设置于壳体内部，安装在井盖底面靠近打开一侧的区域。 [0144] 采用本申请实施例的有益效果如下：通过本申请的基于NB‑IOT的低功耗燃气井智能监测方法，能够当燃气井井盖倾斜角度大于所设定阈值角度时，认为井盖打开，此时井下燃气浓度随空气扩散，燃气传感器采样数据不准确，则关闭燃气浓度采样，减少耗电；同时，能够检测燃气井的浸水情况，当出现浸水情况时，燃气传感器采样数据失效，并且容易出现传感器损坏的情况，同样关闭燃气浓度采样，减少耗电与损坏风险。 [0145] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，模块和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的模块实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。 [0146] 上述实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制。本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示意的准确结构，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，做出的各种改变和变形，都应当视为属于本申请的保护范围。 |
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