面向物聯網的車用氣瓶檢測系統開發

王 亮　李保緒　孫建成

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院　烏魯木齊　830011）

面向物聯網的車用氣瓶檢測系統開發

王 亮李保緒孫建成

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院烏魯木齊830011）

針對車用氣瓶檢測環節存在檢測效率低下、檢測結果不夠客觀、氣瓶漏檢等問題，開發基于物聯網的車用氣瓶檢測系統。在系統中，賦予每只氣瓶一個唯一標識的射頻識別標簽，采用射頻識別技術將車用氣瓶與具體檢測環節相關聯，并借助WIFI和藍牙兩種無線通信技術將檢測結果自動傳輸至后臺服務器，實現檢測現場與業務報告管理系統的實時交互。通過該系統的實施，提高了氣瓶檢測效率，增強了檢測結果的準確性，擴大了信息共享范圍，提高了氣瓶檢測的整體信息化水平。

物聯網射頻識別技術車用氣瓶檢測自由口通信

汽車用壓縮天然氣氣瓶是一種移動式高壓壓力容器，在頻繁的充裝、儲存、運輸、使用過程中，容易造成氣瓶金屬疲勞，隨時可能發生泄漏或者爆炸的危險［1］。進行車用氣瓶的定期檢驗是保證氣瓶安全使用的有效手段。

國家和自治區相關部門先后頒布了相關標準、規程和技術規范，對車用氣瓶設計、制造、安裝、使用、充裝、運輸及檢驗等各個環節進行嚴格監控，保證車用氣瓶的安全使用。對車用壓縮天然氣氣瓶進行定期檢驗，及時發現氣瓶在使用過程中出現的異常情況，是保證氣瓶能安全使用、保障人民生命安全和財產安全，乃至維護社會穩定的重要手段［2-3］。

目前車用氣瓶的檢測方式是：檢測人員在氣瓶的檢測過程中需要人工記錄檢測結果，手工填寫紙質原始記錄單，再進入質監部門的報告單業務系統，人工錄入檢測結果，打印檢驗報告單。這種檢驗方式存在以下三個方面的問題：

1）人工填寫紙質原始記錄單，導致邊檢測邊填寫，嚴重影響整個檢測效率；

2）原始記錄與檢驗報告之間脫節，檢驗報告上的所有判斷結果都是人為的，有失公正性；

3）現有檢測工藝對氣瓶的檢測是無序的，在檢測線上會有多個氣瓶待檢，因此可能會出現個別氣瓶的某些檢驗項漏檢或誤檢。

本項目在不改變現有檢測設備和檢測工藝的前提條件下，引入物聯網中的射頻識別技術，開發出面向物聯網的車用氣瓶檢測系統。為每只氣瓶賦予唯一標識的電子標簽，作為氣瓶的“身份證”；并借助于各種無線通信技術實現檢測結果的自動上傳，省去人工填寫原始記錄單的過程，能提高檢測效率和保證檢測結果的可信度［4-7］。

1　系統總體方案

1.1系統功能架構

系統從功能架構上分為數據采集層、管理層和數據中心［8-9］，如圖1所示。

圖1　系統網絡架構

各部分功能如下：

數據采集層：需要完成氣瓶的外觀檢測、瓶口螺紋檢測、瓶閥檢測、水壓試驗和氣密性檢測等檢測環節。在每項檢測環節完成后，檢測人員通過掃描槍或PDA將該項的檢測結果發送到氣瓶檢測站服務器儲存。

管理層：位于氣瓶檢測站，主要完成送檢氣瓶的登記以及檢測信息的存儲。除此之外，管理層需要根據氣瓶的每項檢測結果出具氣瓶定期檢驗報告。

數據中心：設立在相關質監部門，包括數據服務器和應用服務器，存儲著所有車用氣瓶的詳細數據，包括氣瓶安裝時間、安裝車牌號、定期檢驗時間及每次檢驗結果等信息。由于目前烏魯木齊市車用氣瓶數量較多，數據量非常龐大，所以數據中心采用數據服務器和應用服務器協同工作的方式。數據服務器完成氣瓶詳細數據的存儲；應用服務器完成各種數據表格的存儲和對各種數據操作的協調，一方面接受數據操作信息，另一方面完成對數據服務器中的數據的讀寫操作。

圖2為系統網絡拓撲結構圖，氣瓶檢測站與新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院通過一條專用的光纖進行通信，氣瓶檢測站內主要采用WIFI進行通信。

圖2　系統網絡拓撲結構

1.2軟件架構設計

系統軟件架構由下到上分為三層主框架：數據層、業務層及表現層［10］，如圖3所示。

圖3　系統軟件架構

統一業務支撐平臺基于XML/J2EE/.Net Framework等開放技術，遵循SOA架構體系，需要采用全程建模、基于組件分層開發的技術路線，C#與VB編寫完成軟件模塊的開發。

三層架構模式具有穩定性高、延展性好和執行效率高的優點，采用該種模式可以統一客戶服務到客戶端，將客戶服務集中統一管理，因此系統容錯能力較高、負載平衡能力較好。隨著新疆維吾爾自治區車用氣瓶監控中心系統逐步完善和業務發展，這種軟件構架的優勢將進一步體現出來。

2　車用氣瓶檢測系統

2.1車用氣瓶檢測流程

待檢氣瓶進入氣瓶檢測站，首先進行氣瓶的拆卸，再根據原始記錄單記錄氣瓶的公稱壓力、生產日期、車牌號碼等重要信息；待完成氣瓶登記后，氣瓶進入檢測環節。

氣瓶檢測具體環節如圖4所示。其中需要記錄具體檢驗結果的環節是外觀檢測、瓶口螺紋、水壓試驗、瓶閥檢測和氣密性測試，以上測試環節的結果將影響氣瓶的報廢與否，因此需要對其詳細的檢測結果進行數據存儲。其中外觀檢查與評定環節需要記錄氣瓶外觀損壞的具體參數（氣瓶外表面劃傷深度等）；水壓試驗環節需要記錄氣瓶的殘余變形率；氣密性環節需要記錄氣瓶的泄露壓力，最后再依據相關標準判斷氣瓶是否合格。

圖4　系統業務流程圖

2.2界面開發

系統軟件模塊開發分為手持機模塊和PC模塊，見表1。手持機模塊主要完成檢測人員的登錄、電子標簽的掃描、相應檢測環節的檢測等，PC端模塊主要包括登錄模塊、PC端權限管理模塊、數據分析和打印報告單模塊和送檢氣瓶登記模塊。

表1　系統軟件模塊設計

●2.2.1手持機端的應用

圖5　PDA登錄界面圖

圖5為PDA登錄界面。PDA登錄模塊要求檢測人員輸入個人的姓名及密碼，并選擇檢測氣瓶的種類和具體的檢測項。在檢測人員點擊“登錄”按鈕后，PDA將檢測人員的信息發送到氣瓶檢測站數據服務器進行存儲，作為信息溯源的依據。在檢測人員登錄到相應氣瓶檢測環節后，掃描電子標簽，開始檢測操作，再根據相應檢測環節的界面錄入結果。圖6為纏繞瓶外觀檢測結果錄入界面，包括氣瓶標識、劃傷擦傷鑿傷、氣瓶磨損等選項。

圖6　纏繞瓶外觀檢測

●2.2.2PC端的應用

1）水壓測試環節。車用氣瓶水壓試驗檢測環節是氣瓶檢驗的必檢環節，也是被普遍認可的檢驗氣瓶綜合性能較理想的測試方法。它將氣瓶的容積殘余變形率作為考核指標。筆者將受試氣瓶抽象成下端為平底封頭、上端為半球形封頭的薄壁圓筒形容器；筒體部分在試驗壓力作用下，殼壁處于兩向應力狀態［11］。水壓試驗檢測環節采用GB/T 9251—2011《氣瓶水壓試驗方法》規定的外測法氣瓶容積變形試驗測試方法。

水壓試驗系統采用VB開發上位監控畫面，S7-200PLC為下位控制器，上位機和下位機之間采用自由口通信。水壓測試時檢測人員通過移動數據終端掃描待檢氣瓶電子標簽，記錄待檢氣瓶編號等信息，并通過藍牙通信技術將氣瓶信息傳送給上位組態軟件。上位組態軟件定時采集待檢氣瓶內部壓力值，并實時顯示壓力變化曲線。當測試完成后，上位組態軟件將氣瓶信息、檢測人員信息、測試結果一并寫入數據庫。

水壓測試上位界面見圖7。

圖7　水壓測試上位界面

2）氣密性測試環節。氣密性測試環節是在氣瓶更換瓶閥環節后，用來檢驗瓶體、閥門及堵頭螺紋等處是否泄漏［12］。

根據GB 24162—2009規定：只有在氣瓶水壓試驗合格后，才能進行氣密性試驗。氣密性試驗采用的方法是：將充以氣瓶公稱壓力（20MPa）的受試瓶浸入試驗水槽中，保證使受試瓶任何部位都在水面以下至少 5cm；緩慢地轉動受試瓶，持續2min，通過人眼觀查各部位有無氣泡出現；若有連續氣泡產生或者擦去固定氣泡后又有新氣泡產生，則證明該受試瓶存在氣體泄露，可判斷氣密性試驗不合格［13-14］。

在不改變原有檢測設施的基礎上，通過增加壓力變送器檢測氣瓶內壓力，并上傳給PLC。采用VB開發上位監控畫面，上位組態通過曲線控件顯示氣瓶內壓力的變化過程，結合人眼觀察給出氣密性測試結果。待檢測完成后，上位組態軟件將氣瓶信息、檢測人員信息、氣瓶保壓時間和氣瓶氣密性狀況記錄到數據庫。

氣密性檢測上位界面見圖8。

圖8　氣密性測試上位界面

3）試驗報告生成。氣瓶檢測數據采集處理系統在采集到所有的試驗原始記錄后，根據定義好的業務規則判定標準，生成報告判斷數據并自動填寫到現有的業務管理系統。操作人員可以直接通過該系統打印報告單。

3　結論

通過將物聯網技術與現有氣瓶檢驗技術相結合，開發出面向物聯網的車用氣瓶檢測系統。構建了一個以射頻識別標簽為載體的信息管理平臺，以射頻識別標簽作為媒介將氣瓶的每一檢測項進行關聯，并通過移動數據終端（PDA）對每一檢測環節的數據進行采集、集中處理，自動生成可以導入質監部門的報告單業務系統的檢測結果。為整個檢測過程搭建一個高效、有序的檢測過程。

與原有系統比較，本系統具有以下優點：

1）從傳統的填寫紙質原始記錄到信息化的實時管理，對檢測過程的結果記錄更為及時、高效。

2）利用集成思想，將“新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院氣瓶檢測線電子數據系統”與“水壓檢測系統”、“氣密性檢測系統”和“報告單業務系統”進行數據共享，變信息孤島為共享平臺，擴大了信息共享范圍、縮短了信息共享時延。

3）加強檢測過程中的數據實時采集，獲得采集結果的實時反饋。

4）本項目的開發對于其它特種設備（例如氧氣瓶、氮氣瓶、電梯、鍋爐、安全閥等）的檢驗具有很強的借鑒性。

2015年1月，本項目通過了自治區質監局的竣工驗收，正式啟用。經過一年多的運行，整套系統可靠、高效，不僅將檢驗人員從繁重、重復的手寫原始記錄工作中解放出來，而且極大的提高了報告及時率和檢驗準確性。從以往每條檢驗線每天50只氣瓶，提高到每天80只，兩條檢驗線每天的檢驗量達到了160只氣瓶。面對烏魯木齊市10萬只/每年車用氣瓶的檢驗量，該項目的實施有效緩解了檢驗需求和檢驗能力之間的矛盾，創造了良好的社會效益和經濟效益。

［1］張應祿.車用天然氣纏繞氣瓶安全分析［J］.天然氣工業， 2009，29（4）：102-104.

［2］張富勝.車用CNG氣瓶安裝和使用安全問題分析及對策［J］.中國安全生產科學技術，2011，07（11）：210-215.

［3］Chirico，Prevot，Decarlo，et al.Aerosol and trace gas vehicle emission factors measured in a tunnel using an Aerosol Mass Spectrometer and other online instrumentation［J］.Atmospheric Environment，2011，45（13）：2182-2192.

［4］李如年.基于RFID技術的物聯網研究［J］.中國電子科學研究院學報，2009，4（6）：594-597.

［5］Welbourne E，Battle L，Cole G，et al.Building the internet of things using RFID：the RFID ecosystem experience［J］.Internet Computing，IEEE，2009，13（3）：48-55.

［6］Vermesan O，Friess P，Guillemin P，et al.Internet of things strategic research roadmap［J］.Internet of Things-Global Technological and Societal Trends，2011，25（8）：9-52.

［7］陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究［J］.計算機學報，2013，36（1）：168-188.

［8］湯曉冰.基于RFID的?；窔馄堪踩芾硐到y設計［D］.上海：復旦大學，2010.

［9］邴志剛，黨瓊，郝銘，等.基于RFID和WSNs的鋼瓶綜合監管系統［J］.計算機工程，2009，35（8）：277-279.

［10］申秀蘭.基于 RFID 的山東省危化品氣瓶管理系統應用研究［D］.濟南：山東大學，2006.

［11］張成海，張鐸主編.現代自動識別技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［12］GB 24162—2009 汽車用壓縮天然氣金屬內膽纖維環纏繞氣瓶定期檢驗與評定［S］.

［13］GB/T 12137—2002 氣瓶氣密性試驗方法［S］.

［14］中華人民共和國國務院令.特種設備安全監察條例［J］.設備管理與維修，2003，45（8）：15-19.

Development of Vehicle Cylinder Detection System Facing Internet of Things

Wang LiangLi BaoxuSun Jiancheng （Special equipment inspection and research institute of Xinjiang Uygur Autonomous RegionUrumqi830011）

To solve the problems of low detection efficiency， less objective detection resultes and leaking detection for gas cylinder detecting in cars， the gas cylinder testing system for vehicle based on internet of things is developed. In the system， the RFID tag is endowed with a unique identification of each cylinder. Then the gas cylinders and the specific detection aspects can be associsted using the RFIT. The detection results are automatically transmitted to the background server using the WIFI and Bluetooth two wireless communication technology. Real time interaction between the detection and the business report management system can be accomplished. Through the implementation of the system， the efficiency of the cylinder detection is improved and the accuracy of the detection results is enhanced and the scope of information sharing is expanded，which improves the overall level of information technology.

Internet of thingsRFID technologyVehicle cylinders detectionFree port communication

X933.4

B

1673-257X（2016）08-0076-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.019

王亮（1977～），男，本科，主任，高級工程師，從事鍋爐壓力容器壓力管道的檢驗工作。

2016-03-23）