基于物聯網的燃氣監測報警系統的設計研究

于志宏

（衡水職業技術學院，衡水 053000）

燃氣的使用關系到人們的生命財產安全，因此對燃氣使用的全過程進行監管十分重要。但是，傳統的燃氣監管系統存在系統機制薄弱、監控報警能力較弱等問題。本文設計的基于物聯網的燃氣監測報警系統融合了通信、大數據等技術，可以實現對燃氣管網的數據采集、處理、監控和報警等功能。燃氣輸配單位可通過監控管網的流量、壓力、溫度等數據，靈活配置相關報警參數，從而全面提升燃氣輸配單位的運營管理水平，保障人們的生活安全。

1 系統總體架構設計

從結構上看，基于物聯網的燃氣監控報警系統可以劃分為感控層、網絡層和應用層3層[1]。系統架構設計如圖1所示。感控層位于系統的底層，用來完成對數據的采集、測量和控制。它主要由各種傳感器構成，分布于工業用戶、城區管網末端等進行數據采集，同時檢測管道內燃氣的流量、溫度、壓力等參數。網絡層位于系統的中間，也稱為傳輸層，主要完成數據接入、數據集中、數據交換。本系統采用無線接入，同時對通信模塊進行了兼容性設計。應用層位于系統的頂層，主要完成對數據的監控和管理等。其中：管理應用層主要包括數據庫和通信軟件；行業應用層主要包括與相關服務器端的軟件業務。

2 三層體系架構的設計與實現

2.1 感控層的設計與實現

2.1.1 燃氣監測終端的硬件設計

硬件總體設計框圖如圖2所示。主控模塊實現系統的控制功能，核心部件是微處理器。數據采集模塊實現數據采集，核心部件是流量計。通過采集流量計內的數據，將其上傳至服務器[2]。電動閥體DN50主要是主控芯片輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口通過通信模塊控制電機驅動燃氣閥門的打開與關閉，實現遠程控制燃氣的開關。顯示模塊液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）主要用來顯示充值時間、充值金額等。通信模塊主要用于上下位機之間的信息傳輸。

2.1.2 燃氣監測終端的軟件設計

系統處于正常工作狀態下時，因使用市電，可以忽略監測終端設備功耗。當系統處于斷開市電狀態時，若軟件設定主控單元空閑狀態超過3 min，則進入低功耗休眠模式。可以采用實時時鐘（Real Time Clock，RTC）喚醒主控單元的低功耗模式，或者利用通信模塊主動喚醒終端[3]。主程序的執行過程如圖3所示。

2.2 網絡層的設計與實現

網絡層連接著感控層與應用層，因此通信模塊是網絡層的重要組成部分，用來實現系統的數據通信。

2.2.1 通信模塊硬件設計

系統采用通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）通 信，選 用Air202模 塊。GPRS模塊利用客戶識別模塊（Subscriber Identity Module，SIM）卡實現遠程通信。主控芯片STM32與通信模塊Air202之間采用低成本且高穩定性的接線板串口通信，并保留了多個通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串口，便于兼容[4]。

2.2.2 通信模塊軟件設計

通信模塊Air202支持AT（Attention）指令，因此系統設計中Air202 GPRS模塊與主控芯片STM32主要利用AT指令進行入網、連接服務器等操作[5]。在測試階段，可以借助調試工具向通信模塊Air202發送相關AT指令實現網絡連接也可以根據主控芯片STM32的輸入/輸出（Input/Output，I/O）引腳判斷網絡連接狀態[6]。圖4 為GPRS通信模塊與主控單元STM32通信的流程圖。

2.3 應用層的設計與實現

應用層包含調壓站、門站、監控中心等一系列軟件[7]。本文主要研究應用層的核心部分，即監控系統軟件。系統采用多層瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）模式和客戶端/服務器（Client/Server，C/S）體系結構[8-9]。燃氣物聯網平臺的架構采用的是Spring+Struct2+Hibernate框架集，簡化了對數據庫的開發操作，提高了開發效率。服務器端主要實現對異常數據給出報警信號、實時監控下位機數據等業務。設計Web端時，需要為使用者提供直觀、易讀、友好的交互界面，且盡量簡化操作流程。燃氣物聯網平臺的總體技術架構如圖5所示[10-13]。

3 系統測試與現場調試

為了驗證燃氣監測系統對生產數據的采集、管理、監測和控制等功能，對系統進行模擬測試，并進行現場調試。測試結果如表1所示。從測試結果可見，系統能實現遠程自動控制。

表1 測試結果

4 結語

在經過對系統的反復測試后，系統運行狀態較為理想。系統運行期間，可以實時監測現場的流量、溫度、壓力等數據，且系統的運行狀況穩定。設計的基于物聯網的燃氣監測報警系統能夠通過數據采集、監測、分析與處理實現報警控制，且數據的采集、管理、監測和控制等功能均達到了預期效果。