基于 LoRa 与 NB-IoT 的城市地下燃气泄漏监测系统研究

0 引 言

地下燃气管道生产数据和运行状况信息的采集与监控是燃气管道管理的重要内容 [1-2]。由于 TD-LTE 4G 技术具有大容量、高带宽、安全可靠等优势，因此 TD-LTE 无线专网在数字化地下燃气管道无线传输方面应用最多 [3-4]。但是某些地下燃气管道如城市房屋较密集地区，管道所处环境复杂， 信号遮挡严重，无线网络覆盖差，数据采集传输存在困难， 因此需要绕射能力强、具备抗干扰能力的无线技术来实现这些复杂场景下的无线数据传输。地下燃气管道产生的数据量不大、传输间隔长，数据速率要求低。LoRa 非常适合此类场合，虽然 LoRa 的传输距离可达几千米，但想要覆盖整个城市的地下管道还存在一定的局限性。NB-IoT 技术覆盖范围更大却需要经过运营商的蜂窝数据网络来进行数据传输， 后期维护成本较大。本文将 LoRa 与 NB-IoT 相结合 [5-6]，针对现有单一通信方式所存在的问题提出优化解决方案，实现可靠、安全、先进、高效的城市地下燃气管道监测系统，既保证了数据的传输范围，同时也降低了成本。

1 系统总体设计

监测系统分为硬件和软件两部分。硬件部分以 STM32作为主控芯片，传感器选用烟雾传感器 MQ-5[7]。采用 LoRa和 NB-IoT 技术进行数据传输。软件部分采用 C 语言在MDK5 和 Visual 环境下编写主控芯片和上位机程序。

图 1 所示为本文设计方案的总体结构图。系统主要包括监测终端，云端数据服务器，LoRa 和 NB-IoT 星型网状结构，信号采集终端 4 个部分。其中传感器是信息传输的起点，烟雾传感器首先检测空气中的瓦斯浓度，再将检测到的信息转化为电压输出，由于输出的电压是一个模拟量，其输出端口连接到 STM32 片内 1 号 A/D 转换器的通道 1，经由 STM32 将电压信号转化为数字信号，这时内部的算法会判断瓦斯浓度是否超标，再将数据通过串口 1 传输给 LoRa 模块。通过LoRaWAN 传输到基站，基站通过 NB-IoT 将数据传输到地面服务器，通过地面的上位机处理数据。

2 硬件设计

本文系统的 MCU 芯片 STM32F103C8T6 是基于 ARM Cortex-M 内核 STM32 系列的 32 位微控制器，具有 64 kB 的程序存储容量，20 kB 的 RAM 容量，完全可以满足烟雾传感器的需要。

LoRa 模块选用 E32-TTL-100， 该模块是一款基于SX1278 射频芯片的无线串口模块（USART），其功耗低，抗扰特性强 [8-9]，数据传输更可靠，并且支持测距和定位。综合SX1278射频芯片的诸多优点，将其选作本文设计的LoRa模块。

图 2 所示为检测终端的硬件结构图。烟雾传感器检测到空气中的瓦斯浓度后将其传给与之相连的 STM32 的 A/D1 端口，由 STM32 片内的 A/D 转换器将其转换成数字信号，再传给串口 USART1，通过与串口相连的 LoRa 模块将数据发出，采用 3.3 V 电源供电。

                                                                                                                                                   图 2 监测终端硬件框图

图 3 所示为信号中继模块硬件框图。LoRa 和 NB-IoT 分别接在串口 1 和串口 2，LoRa 接到监测终端发出的信号后从串口 1 将其传入 STM32，由 STM32 将信号转为 AT 指令， 最后经串口 2 交给 NB-IoT 并发送至云端。模块采用 3.3 V 电源供电。

                                                                                                                                                   图 3 信号中继模块硬件框图

NB-IoT 模块选用 BC95， 这是一款高性能、低功耗的NB-IoT 无线通信模块 [10]。NB-IoT 部署于运行商通信频段， 信号穿透能力更强，覆盖范围更广，网络质量更稳定，能够提供完善的室内信号覆盖服务。

3 软件设计

软件部分分为监测终端和信号中继模块两部分，利用软件 MDK5 对控制芯片 STM32 进行编程。

3.1 监测终端程序设计

监测终端模块是系统的重要组成部分。传感器监测模块采集到的数据通过 LoRa 模块以射频传输方式与 NB-IoT 通信。烟雾传感器首先感测空气中的瓦斯浓度，之后将采集到的数据传给 STM32 控制芯片处理，这时 STM32 会将接收到的信号先进行 A/D 转换，然后通过串口交由 LoRa 发送出去。监测终端程序流程如图 4 所示。

3.2 信号中继模块程序设计

信号中继模块由 NB-IoT，LoRa 以及 STM32 控制芯片组成，可以使信号传输更远，覆盖范围更广。信号中继模块的程序流程如图 5 所示。

4 系统测试与分析

首先针对 LoRa 进行测试。选择在湖边的办公楼放置一个监测终端，同时使 LoRa 信号接收端远离办公楼，观察接收到的信号质量。这时可以发现向房屋较多地区移动的两个LoRa 信号接收端的有效接收距离分别为 1.9 km 和 2.0 km， 而穿过空旷湖面的 LoRa 信号接收端可以接收到 2.2 km 以外的信号。LoRa 传输距离示意如图6 所示，实测数据见表1 所列。

现将节点分部部署，然后人工模拟燃气泄漏时的情形， 这时就可以从 SKYATE 物联网云平台观察到燃气管道的状态。SKYATE 云平台具有全中文显示、界面友好、易于操作的人机界面，主菜单界面包含各个子界面的按钮，如图7 所示。操作人员可以根据对系统监测、维护的实际需要进入各个界面进行实际操作，并对其中一些关键参数进行修改。从安全层面考虑，SKYATE 云平台采用分级授权，如果操作人员没有达到级别，系统就不会执行该操作员的命令。根据模拟燃气管道泄漏情况得到的实测数据见表 2 所列。

5 结 语

本文针对管道泄漏问题，以 LoRa 与 NB-IoT 相结合的通信技术为理论基础，设计了一种全新的智能城市地下燃气泄漏监测方案。经过实验测试，该监控系统可以较好地监测燃气管道泄漏的问题，并在一定程度上提高数据传输过程的节能性和高效性，具有一定的市场价值和广阔的社会应用前景。