趙晶晶，譚方勇

（蘇州市職業(yè)大學，江蘇蘇州，215104）

燃氣是我們日常生活中必不可少的生活資源，它的安全還關系著我們的生命和財產安全。雖然現(xiàn)在家庭中普遍使用天然氣，但是在當前很多城市的放心早餐攤、晚上的夜市大排檔等場合，煤氣瓶仍是一種主要的經(jīng)營設施，它們的安全管理非常的重要，因為一旦發(fā)生事故，影響會非常大，但是，目前我們對煤氣瓶的使用管理還處于一種離散狀態(tài)，缺少一種集中有效的、能實時監(jiān)測的管理手段，因此城市管理部門無法及時了解這些煤氣瓶的使用狀態(tài)，這就會帶來不少的安全隱患，所以，如果能對煤氣瓶的使用和定位情況進行監(jiān)測，及時了解煤氣瓶的行蹤和狀態(tài)，這樣就能更好地讓城市管理部門來對其監(jiān)管，減少安全隱患的發(fā)生。

1 煤氣瓶安全管理的研究現(xiàn)狀

文獻[1]采用B/S結構進行動態(tài)監(jiān)測，讓使用者隨時的進行在線查詢、對相關數(shù)據(jù)進行瀏覽，但是該系統(tǒng)沒有進行硬件方面的設計，無法對城市范圍內的煤氣瓶進行綁定，所以沒法定位和跟蹤其使用的狀況。文獻[2]采用條碼技術對煤氣瓶進行標識，制定了JPM碼編碼規(guī)則，在此基礎上設計并實現(xiàn)了JPM碼編碼系統(tǒng)；但該軟件僅限于標識煤氣瓶，無法預測煤氣瓶的環(huán)境信息以及數(shù)據(jù)上報。文獻[3]根據(jù)煤氣瓶安全管理存在的問題，對煤氣瓶監(jiān)測終端進行了需求分析，提出了煤氣瓶監(jiān)測終端的硬件設計方案。但是并沒有給出具體的實施方案，在器件選型和軟件設計需要進一步優(yōu)化。

本文采用低功耗NB-IOT技術，在煤氣瓶上附加硬件裝置，通過內置的振動、GPS等傳感器獲取煤氣瓶使用的狀態(tài)，同時監(jiān)測裝置的電池余量，并將采集的數(shù)據(jù)上報至云端，用戶的前端采用Spring Boot框架進行設計。城市監(jiān)管部門可以通過本系統(tǒng)，實現(xiàn)對城市小攤販的煤氣瓶使用狀況的實施監(jiān)管，及時消除安全隱患，提高城市安全管理水平。

2 系統(tǒng)體系架構設計

本系統(tǒng)的整體架構設計如圖1所示，包括物聯(lián)網(wǎng)終端設備、物聯(lián)網(wǎng)接入與IOT聯(lián)接管理平臺、業(yè)務數(shù)據(jù)處理中間件、WEB前端應用等四個部分。

（1）物聯(lián)網(wǎng)終端設備：是物聯(lián)網(wǎng)體系架構的基礎，主要負責信息的收集和獲取，在感知層，通過傳感器可以感知物體周圍環(huán)境的信息。煤氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)通過一系列傳感器，采集煤氣瓶的溫度、位置、振動等信息，當遇到高溫或煤氣泄露時，該系統(tǒng)進行警報。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入與IOT聯(lián)接管理平臺：通過NB-IOT模組，將感知層的采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，同時將物聯(lián)網(wǎng)云平臺下發(fā)的命令發(fā)送至業(yè)務層。在本系統(tǒng)中主要是指信號基站和IOT物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，當NB-IoT模組接收到AT指令后，將數(shù)據(jù)封裝為CoAP協(xié)議的消息并發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺接收數(shù)據(jù)后，自動解析CoAP協(xié)議包，將數(shù)據(jù)存于平臺之上。由物聯(lián)網(wǎng)云平臺對煤氣瓶狀態(tài)信息進行分析，對煤氣瓶進行監(jiān)測。

（3）業(yè)務數(shù)據(jù)處理中間件：主要包含了對煤氣瓶的設備管理、數(shù)據(jù)檢測等業(yè)務邏輯，可以根據(jù)編號進行指定查詢煤氣瓶的詳細信息。該層處理來自感知層的數(shù)據(jù)，展示給前端用戶；調用業(yè)務邏輯層中的方法處理來自前端的控制命令。

（4）WEB前端應用：前端主要是與用戶進行交互，該層將感知層的數(shù)據(jù)以一個友好的方式展示給用戶，其主要功能是呈現(xiàn)用戶向服務器請求的 Web 資源，顯示在瀏覽器窗口中，用戶可以通過客戶端進行查看煤氣的實時狀態(tài)。

系統(tǒng)整體架構設計如圖1所示。

圖1 煤氣瓶移動監(jiān)測系統(tǒng)體系架構

3 系統(tǒng)硬件裝置設計

煤氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體架構如圖2所示。

圖2 煤氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體架構

■ 3.1 感知層設備選型

本系統(tǒng)采用型號為STM32F103ZET6的單片機，基于ARMv7- M體系結構的32位標準RISC處理器，工作頻率為72MHz，具有高性能、低功耗的特點。STM32F103ZET6的GPIO有8種模式，其中包含上拉、下拉輸入模式。能夠支持USB、UART/USART 等通訊協(xié)議，其外圍設備包括溫度傳感器、DMA、PWM等80個可設置的GPIO，故此處理器可滿足系統(tǒng)的設計需求。

■ 3.2 終端模塊

該模塊主要獲取煤氣瓶的移動狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過NBIoT通信模組上報云平臺。其終端模塊主要分為三個部分:采集模塊、通信模塊、主控模塊。

（1）采集模塊由壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器組成，采集煤氣瓶的電池電壓、溫度、一氧化碳濃度、位置等信息，采集模塊受主控模塊控制，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給主控模塊。

（2）通信模塊受主控模塊控制，采集模塊的數(shù)據(jù)需要通過通信模塊匯聚到網(wǎng)絡層，進而通過云平臺對設備進行遠程管控。

（3）主控模塊實現(xiàn)對采集模塊和通信模塊的管理和控制，并且處理采集模塊和通信模塊的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件功能設計

■ 4.1 中間件設計

中間件在本系統(tǒng)中主要是指信號基站和中國電信物聯(lián)網(wǎng)云平臺，該層主要是上報設備層采集的數(shù)據(jù)，或者下發(fā)業(yè)務層的控制命令，不同的接口通過中間件仍能交換信息，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、設備的可擴展性和快速開發(fā)。煤氣瓶監(jiān)測終端要接入中國電信物聯(lián)網(wǎng)云平臺，需要按以下步驟操作:

(1)注冊、登錄中國電信物聯(lián)網(wǎng)云平臺后，創(chuàng)建NB-IoT應用。

(2)在建立的應用中開發(fā)Profile產品。Profile是一種格式文件，用來說明設備所具有的功能與特性，云平臺通過Profile理解設備的服務、屬性、命令等信息。

(3)開發(fā)編解碼插件。云平臺的數(shù)據(jù)格式采用JSON格式，物聯(lián)網(wǎng)云平臺和NB-IoT設備通信采用CoAP協(xié)議通信，應用層的數(shù)據(jù)處理一般采用十六進制，因此編解碼插件供物聯(lián)網(wǎng)平臺調用,以實現(xiàn)十六進制與JSON格式的相互轉換。

(4)部署成功后，注冊設備獲得唯一標識deviceID，通過NB無線模塊聯(lián)網(wǎng)接入平臺。(5)終端設備的數(shù)據(jù)上報，在云平臺處保存并顯示數(shù)據(jù)。(6)云平臺進行命令下發(fā)操作，在串口中接收到十六進制數(shù)據(jù)。

■4.2 應用層業(yè)務邏輯設計

應用層分為三層架構，數(shù)據(jù)接口層、業(yè)務邏輯層、接口層 (API層 )。

數(shù)據(jù)接口層：該層負責業(yè)務實體對象的數(shù)據(jù)處理，如煤氣設備的增加狀態(tài)、刪除設備、修改信息、查詢信息等。

業(yè)務邏輯層：該層主要有兩大職責，一是定義業(yè)務實體；二是業(yè)務邏輯的具體實現(xiàn)。本系統(tǒng)主要對煤氣瓶設備管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測等業(yè)務邏輯。

接口層(API層)：該層用來對接前端，為前端提供業(yè)務處理接口，將煤氣瓶的數(shù)據(jù)實時交互與更新，并通過前端展示在頁面上。

業(yè)務邏輯流程如圖3所示。

圖3 業(yè)務邏輯流程圖

5 系統(tǒng)核心功能的設計與開發(fā)

本系統(tǒng)使用的是常閉式振動傳感器，煤氣瓶靜止時屬于低電平，振動時低電平與高電平來回切換，獲取振動信息，GPS模塊接收位置信息傳送給終端進行處理，實時監(jiān)測煤氣瓶位置發(fā)生變化，并顯示位置信息，代碼如下：

void Shake_Init()//配置振動傳感器

{ GPIO_InitTypeDef Shake_GPIO_Init; //定義結構

RCC_APB2Periph ClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能時鐘打開

Shake_GPIO_Init GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;//配置GPIOA結構體內容

}

void Relay_Init(void) //配置繼電器

{ GPIO_InitTypeDef Relay_init; //初始化繼電器

GPIO_Init( GPIOA, &Relay_init );

}

int main(void)

{ if(SkyTra_Cfg_Rate(5)!=0) //信息更新速度為 5Hz

{ while(1) //通過讀取傳感器的電平的高低，去判斷并控制gps

{

if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1 == 0)) //低電平，開gps

{ GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3); //開gps

if(USART3_RX_STA&0X8000) //接收到一次數(shù)據(jù)了

{

for(i=0;i

USART3_RX_STA=0; //啟動下一次接收

Gps_Msg_Show(); //顯示信息

If(upload)printf(USART1_TX_BUF); //發(fā)送接收到數(shù)據(jù)串口 1

}

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);

}else{ GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);} //關gps

}}

}

獲取GPS定位信息代碼如下：

void Gps_Msg_Show(void) // 獲取GPS定位信息

{ tp=gpsx longitude;

LCD_ShowString(30,140,200,16,16,dtbuf); //得到相關字符串

if(gpsx fixmode<=3) //獲取定位的狀態(tài)

{

sprintf((char *)dtbuf,"Fix Mode:%s",fixmode_tbl[gpsx fixmode]);

LCD_ShowString(30,200,200,16,16,dtbuf);

}

",gpsx utc hour,gpsx utc min,gpsx utc sec); // 顯示 UTC 時間

LCD_ShowString(30,300,200,16,16,dtbuf);

}

本系統(tǒng)主要圍繞NB-IoT技術實現(xiàn)了煤氣瓶監(jiān)測的功能，利用Spring Boot框架進行界面設計，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過在web端登陸系統(tǒng)之后進行查看管理，本系統(tǒng)功能如下：

（1）設備管理。記錄了煤氣瓶的設備編號、設備名詞、安裝區(qū)域、安裝位置、設備狀態(tài)等狀態(tài)信息，無論在哪終端都可以及時把位置發(fā)送給相關部門，提醒相關部門及時預防。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測。該系統(tǒng)給煤氣瓶進行編號排序，高效查看對應的煤氣瓶信息。具有溫濕度、一氧化碳濃度、位置等功能的信息采集，及時了解煤氣罐的狀態(tài)。

（3）用戶管理。超級管理員可新建用戶，查看普通用戶的詳情以比如用戶名稱、手機號碼，狀態(tài)、創(chuàng)建時間等，并且指定用戶添加角色的權限。

（4）角色管理：可以對用戶進行分配角色,超級管理員可以擁有所有的權限,可停用到角色的所有權限;對不同角色用戶也具有不同的管理功能。管理員有備煤氣瓶管理、系統(tǒng)管理和系統(tǒng)監(jiān)控的功能;普通角色則具有煤氣瓶管理、查看系統(tǒng)通知公告的功能。

（5）日志管理：超級管理員能夠查看所有登陸該網(wǎng)站的日志編號、系統(tǒng)模塊等信息，查看用戶名稱及登錄日期等。

煤氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如圖4所示。

圖4 煤氣瓶移動智能監(jiān)測系統(tǒng)功能圖

6 結束語

本文從煤氣瓶安全需求入手，分析了現(xiàn)有煤氣瓶安全監(jiān)管技術的不足，提出了流動攤販煤氣瓶移動智能監(jiān)測系統(tǒng)設計，將NB-IoT技術與城市管理相結合，提升城市安全水平。本文主要完成的工作如下：查閱文獻，了解煤氣瓶安全監(jiān)管相關技術的發(fā)展現(xiàn)狀，對煤氣瓶的安全監(jiān)管進行分析，并依據(jù)分析給出煤氣瓶監(jiān)測終端設計方案。對嵌入式系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)處理進行了分析，實現(xiàn)了設備終端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺間的通信。采用HTML+JS完成網(wǎng)頁設計，將信息以一個友好的方式展示給用戶。本文設計的煤氣瓶監(jiān)測終端滿足了設計要求，可以實現(xiàn)對煤氣瓶狀態(tài)的實時監(jiān)測。但是還有許多需要改進的地方：考慮到功耗問題，應該從器件選型上考慮，進一步優(yōu)化系統(tǒng)功耗。煤氣瓶監(jiān)測終端外殼重量還需要進一步減輕，避免對煤氣瓶本身造成影響。壓力傳感器會隨著時間的推移發(fā)生變化，影響重量測量，可以考慮根據(jù)歷史數(shù)據(jù)動態(tài)進行重量比對。