蘇智華

(西安歐亞學(xué)院， 西安 710065)

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，人們生活與信息的關(guān)系越來越密切。目前，信息技術(shù)正在慢慢地改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生活方式和工作方式，智能化已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙賰?nèi)容，移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了各行業(yè)設(shè)備的自動化以及互聯(lián)化。用氣安全是家庭基本安全的重點(diǎn)之一，如何實(shí)現(xiàn)對家庭用氣安全的實(shí)時監(jiān)測是家庭、政府以及社會所必須關(guān)注問題，利用信息技術(shù)、無線互聯(lián)技術(shù)等高科技將各類煤氣安全監(jiān)測設(shè)備與監(jiān)測信息系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，為家庭用戶以及煤氣運(yùn)營商提供實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。

煤氣檢測在行業(yè)內(nèi)已有了多種解決方案，主要面向的對象(用戶群)也均由差異，所謂檢測就是利用專業(yè)的傳感器技術(shù)對環(huán)境中存在的某種物質(zhì)進(jìn)行密度、濃度以及所散發(fā)的范圍進(jìn)行傳感監(jiān)測，并將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到分析系統(tǒng)，由分析系統(tǒng)進(jìn)行按照專業(yè)化模型進(jìn)行分析比對，為最終用戶提供準(zhǔn)確性較高的參考數(shù)據(jù)。煤氣檢測的終端用戶包含煤氣使用者、煤氣運(yùn)營商以及相關(guān)執(zhí)法機(jī)構(gòu)。

ZigBee技術(shù)作為短距離通信的高可靠性通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在眾多的在線檢測系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，該協(xié)議遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其低功耗的特性為特殊行業(yè)的傳感器應(yīng)用提供了可監(jiān)測周期長、自組織等可行性。煤氣作為日常生活所必不可少生活必需品，作為家庭用戶，確保家庭用氣安全是第一位的；作為煤氣運(yùn)營商，確保所轄區(qū)域煤氣用戶以及輸氣管道安全是企業(yè)運(yùn)營的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于ZigBee通信的煤氣監(jiān)測系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)主要應(yīng)用場景為家庭煤氣安全監(jiān)測以及煤氣運(yùn)營部門對所監(jiān)管區(qū)域煤氣安全監(jiān)控等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3層架構(gòu)組成，按照當(dāng)前典型的應(yīng)用系統(tǒng)體系架構(gòu)分為采集層、傳輸層以及應(yīng)用層。其中采集層主要由各類煤氣監(jiān)測傳感器構(gòu)成，傳輸層主要由短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)以及家庭網(wǎng)絡(luò)組成，應(yīng)用層主要由應(yīng)用分析以及預(yù)警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

傳感層主要由煤氣傳感器構(gòu)成，該傳感器主要對煤氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，分別對煤氣(0.1%-0.5%)、天然氣(0.1%-1%)以及液化石油氣(0.1%-0.5%)的泄露濃度進(jìn)行檢測，傳感器原理采用電化學(xué)反應(yīng)原理，當(dāng)表面層與煤氣接觸后會產(chǎn)生電物理特性的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到信號傳感的目的，因文本主要對檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在傳感器設(shè)計(jì)方面僅作為成品應(yīng)用作簡要介紹。

家庭網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。它建立了網(wǎng)絡(luò)與傳感層的數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的傳輸。家庭網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)各種能源管理功能[3]，家庭網(wǎng)絡(luò)可以使用有線或無線通信模式，與傳統(tǒng)的有線解決方案相比，無線解決方案更易于安裝和維護(hù)。此外，無線網(wǎng)絡(luò)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。與其他短距離無線技術(shù)相比，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是建立家庭網(wǎng)絡(luò)的首選[4]。 ZigBee技術(shù)作為基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有成本低，功耗低，距離短，復(fù)雜度低，安全性高的特點(diǎn)[5]。此外，支持ZigBee技術(shù)的芯片非常便宜，對于民用化有較大的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡(luò)采用由ZigBee中繼器和多個終端節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee中繼器負(fù)責(zé)建立和管理整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，其通信距離可以覆蓋正常的生活環(huán)境，因此使用星形拓?fù)?，所有終端節(jié)點(diǎn)可以直接與中繼器進(jìn)行通信。目前，ZigBee協(xié)調(diào)器采用CC2530[6]，該程序由IAR Embedded Workbench[7]編譯，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)位于不同的位置。終端節(jié)點(diǎn)連接到電能計(jì)量模塊，以收集設(shè)備的電能信息，并且還連接到中繼模塊，以便通過觸發(fā)繼電器來執(zhí)行由協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令。

應(yīng)用系統(tǒng)主要包含面向終端用戶的分析以及報警模塊，其中分析模塊主要完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理以及分析功能，按照各類專業(yè)的煤氣監(jiān)測模型對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并分析當(dāng)前所檢測環(huán)境的煤氣含量并決定是否報警。應(yīng)用系統(tǒng)主要包含面向終端用戶以及運(yùn)營商，對運(yùn)營商來說主要關(guān)注所轄區(qū)域用氣情況以及輸氣管道安全等信息，并定期匯總向上級有關(guān)部門進(jìn)行匯報。

3 應(yīng)用端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用端系統(tǒng)是煤氣監(jiān)測系統(tǒng)的管理中心。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)通信模塊，終端控制模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊以及后臺數(shù)據(jù)存儲模塊4個模塊。

3.1 數(shù)據(jù)通信模塊

應(yīng)用系統(tǒng)通過Socket與移動終端通信，并通過串行端口與ZigBee中繼器進(jìn)行通信。

1) 與ZigBee進(jìn)行串行通信

系統(tǒng)通過PC的串行端口連接到ZigBee中繼器，并通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)。MFC提供封裝的MSComm控件，可以使用串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 MSComm控件支持訪問串行端口的應(yīng)用程序，使串行通信更可靠，使ZigBee中繼器和服務(wù)器可以方便地使用串行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MSComm控件的主要特性主要設(shè)置CommPort、Settings、PortOpen、Input、Output等參數(shù)。將串口控制添加到項(xiàng)目后，串口被初始化，串口參數(shù)和串口號也被設(shè)置。服務(wù)器端應(yīng)用程序通過MSComm控件的Input屬性和Output屬性直接讀取串口的接收和發(fā)送緩沖區(qū)，以便接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)[8][9]。

2) 與移動終端進(jìn)行套接字通信

服務(wù)器可以通過Socket進(jìn)行遠(yuǎn)程移動終端的通信，Socket是TCP / IP協(xié)議的流行編程方法。套接字通信是基于客戶端/服務(wù)器模型的通信模式，基于IP地址和端口號。服務(wù)器是Socket通信的服務(wù)器，而移動終端是客戶端(針對終端用戶)。端口號設(shè)置完成后，主服務(wù)器等待來自客戶端的連接請求，客戶端首先向服務(wù)器發(fā)起Socket連接請求，收到請求后，服務(wù)器將建立連接并打開偵聽端口，服務(wù)器和客戶端通過線程實(shí)現(xiàn)Socket通信。服務(wù)器端程序使用單獨(dú)的線程來處理來自每個客戶端的Socket請求和反饋[10]。當(dāng)有新的客戶端在線時，將創(chuàng)建一個新線程來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端脫機(jī)時，服務(wù)器將關(guān)閉線程。

3.1.2 終端控制

服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)所管理監(jiān)控設(shè)備的交換控制，可對監(jiān)測傳感器的監(jiān)控頻率、發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，流程如下：服務(wù)器端應(yīng)用程序接收移動終端發(fā)送的控制命令，然后發(fā)送給ZigBee中繼器。例如，控制命令“& S Y1”表示打開設(shè)備Y1，“& N Y1”表示關(guān)閉設(shè)備Y1。最后，ZigBee中繼器向傳感器終端發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的切換控制。

3.1.3 數(shù)據(jù)查詢

服務(wù)器端應(yīng)用程序可以查詢數(shù)據(jù)庫中每個設(shè)備的實(shí)時采集數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶通過移動客戶端或服務(wù)器的控制接口查詢設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)時，服務(wù)器將向ZigBee中繼器發(fā)送查詢命令。在從終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，服務(wù)器通過數(shù)據(jù)處理獲取設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，然后將設(shè)備的信息發(fā)送到移動終端。結(jié)果顯示在控制界面上，如圖2所示。當(dāng)用戶要查詢設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)時，移動終端將發(fā)送查詢命令到服務(wù)器。例如，“SLY1@20170701 * 0000 * 2359”是指需要在2017年7月1日從00:00到23:59的設(shè)備Y1的歷史數(shù)據(jù)。根據(jù)查詢命令，服務(wù)器在后臺數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)時間段內(nèi)的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，并按照一定的格式將其返回給移動終端。

4 系統(tǒng)功能

煤氣監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)功能主要通過函數(shù)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求共包含遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)報警等功能，各功能主要的函數(shù)定義，如表1所示。

表1 函數(shù)定義函數(shù)定義

操作界面的功能是為用戶提供直觀的移動終端界面，方便用戶能夠?qū)嵤┇@取用氣情況以及是否有泄露風(fēng)險。用戶可以通過操作界面查看各設(shè)備的連接狀態(tài)和切換狀態(tài)。同時，用戶可以查詢每個傳感設(shè)備的監(jiān)測的歷史記錄[11-14]。

系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

服務(wù)端通過數(shù)據(jù)采集接口對所轄區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端，服務(wù)端應(yīng)用程序分別執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲以及與監(jiān)測模型計(jì)算工作，通過與專業(yè)的煤氣監(jiān)測模型對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，判斷不同類型的氣體數(shù)據(jù)是否達(dá)到了預(yù)警臨界值，并未用戶提供報警信息[15]。

系統(tǒng)面向個體用戶以及運(yùn)營商用戶，個體用戶主要對家庭煤氣監(jiān)測進(jìn)行管控，可遠(yuǎn)程對傳感器監(jiān)測頻率等參數(shù)進(jìn)行修改，以及實(shí)時查詢傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)；運(yùn)營商用戶主要指煤氣運(yùn)營單位，系統(tǒng)為該類型用戶提供煤氣管道數(shù)據(jù)周期性上傳、用戶用氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及與上級主管部門交互的一些數(shù)據(jù)報表等信息。

經(jīng)過進(jìn)一步的驗(yàn)證，證明移動終端可以保持與服務(wù)器的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)通信，同時，服務(wù)器端程序定期存儲每個傳感器的傳感數(shù)據(jù)，并且可以通過服務(wù)器的查詢界面查看后臺數(shù)據(jù)庫中的有效數(shù)據(jù)。例如，2017月07日02日濃度監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。測試證明該系統(tǒng)有效，運(yùn)行良好。

圖3 測試結(jié)果界面

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee技術(shù)的煤氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過專業(yè)傳感器對煤氣數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集，并設(shè)計(jì)了3層體系架構(gòu)，服務(wù)端程序主要完成對數(shù)據(jù)處理分析工作，客戶端程序主要針對不同的用戶完成特定的功能體驗(yàn)。文中對系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊、查詢模塊等進(jìn)行了介紹，并且對系統(tǒng)整體工作流程進(jìn)行了分析介紹，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可實(shí)時檢測所轄區(qū)域煤氣濃度信息。

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