趙晶晶，譚方勇

（蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇蘇州，215104）

燃?xì)馐俏覀內(nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚纳钯Y源，它的安全還關(guān)系著我們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。雖然現(xiàn)在家庭中普遍使用天然氣，但是在當(dāng)前很多城市的放心早餐攤、晚上的夜市大排檔等場(chǎng)合，煤氣瓶仍是一種主要的經(jīng)營(yíng)設(shè)施，它們的安全管理非常的重要，因?yàn)橐坏┌l(fā)生事故，影響會(huì)非常大，但是，目前我們對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的管理手段，因此城市管理部門無(wú)法及時(shí)了解這些煤氣瓶的使用狀態(tài)，這就會(huì)帶來(lái)不少的安全隱患，所以，如果能對(duì)煤氣瓶的使用和定位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)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(lái)對(duì)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(xiàn)[1]采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，讓使用者隨時(shí)的進(jìn)行在線查詢、對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，但是該系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行硬件方面的設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)城市范圍內(nèi)的煤氣瓶進(jìn)行綁定，所以沒(méi)法定位和跟蹤其使用的狀況。文獻(xiàn)[2]采用條碼技術(shù)對(duì)煤氣瓶進(jìn)行標(biāo)識(shí)，制定了JPM碼編碼規(guī)則，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了JPM碼編碼系統(tǒng)；但該軟件僅限于標(biāo)識(shí)煤氣瓶，無(wú)法預(yù)測(cè)煤氣瓶的環(huán)境信息以及數(shù)據(jù)上報(bào)。文獻(xiàn)[3]根據(jù)煤氣瓶安全管理存在的問(wèn)題，對(duì)煤氣瓶監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行了需求分析，提出了煤氣瓶監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)方案。但是并沒(méi)有給出具體的實(shí)施方案，在器件選型和軟件設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

本文采用低功耗NB-IOT技術(shù)，在煤氣瓶上附加硬件裝置，通過(guò)內(nèi)置的振動(dòng)、GPS等傳感器獲取煤氣瓶使用的狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的電池余量，并將采集的數(shù)據(jù)上報(bào)至云端，用戶的前端采用Spring Boot框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。城市監(jiān)管部門可以通過(guò)本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市小攤販的煤氣瓶使用狀況的實(shí)施監(jiān)管，及時(shí)消除安全隱患，提高城市安全管理水平。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)接入與IOT聯(lián)接管理平臺(tái)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理中間件、WEB前端應(yīng)用等四個(gè)部分。

（1）物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備：是物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)信息的收集和獲取，在感知層，通過(guò)傳感器可以感知物體周圍環(huán)境的信息。煤氣瓶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)一系列傳感器，采集煤氣瓶的溫度、位置、振動(dòng)等信息，當(dāng)遇到高溫或煤氣泄露時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)行警報(bào)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入與IOT聯(lián)接管理平臺(tái)：通過(guò)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(tái)，同時(shí)將物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)的命令發(fā)送至業(yè)務(wù)層。在本系統(tǒng)中主要是指信號(hào)基站和IOT物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，當(dāng)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(tái)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后，自動(dòng)解析CoAP協(xié)議包，將數(shù)據(jù)存于平臺(tái)之上。由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)煤氣瓶狀態(tài)信息進(jìn)行分析，對(duì)煤氣瓶進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理中間件：主要包含了對(duì)煤氣瓶的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)檢測(cè)等業(yè)務(wù)邏輯，可以根據(jù)編號(hào)進(jìn)行指定查詢煤氣瓶的詳細(xì)信息。該層處理來(lái)自感知層的數(shù)據(jù)，展示給前端用戶；調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層中的方法處理來(lái)自前端的控制命令。

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

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 煤氣瓶移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件裝置設(shè)計(jì)

煤氣瓶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤氣瓶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

■ 3.1 感知層設(shè)備選型

本系統(tǒng)采用型號(hào)為STM32F103ZET6的單片機(jī)，基于ARMv7- M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，工作頻率為72MHz，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。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(shè)備包括溫度傳感器、DMA、PWM等80個(gè)可設(shè)置的GPIO，故此處理器可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

■ 3.2 終端模塊

該模塊主要獲取煤氣瓶的移動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)NBIoT通信模組上報(bào)云平臺(tái)。其終端模塊主要分為三個(gè)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(dòng)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(guò)通信模塊匯聚到網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)而通過(guò)云平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。

（3）主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)

■ 4.1 中間件設(shè)計(jì)

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

(1)注冊(cè)、登錄中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后，創(chuàng)建NB-IoT應(yīng)用。

(2)在建立的應(yīng)用中開(kāi)發(fā)Profile產(chǎn)品。Profile是一種格式文件，用來(lái)說(shuō)明設(shè)備所具有的功能與特性，云平臺(tái)通過(guò)Profile理解設(shè)備的服務(wù)、屬性、命令等信息。

(3)開(kāi)發(fā)編解碼插件。云平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式采用JSON格式，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和NB-IoT設(shè)備通信采用CoAP協(xié)議通信，應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理一般采用十六進(jìn)制，因此編解碼插件供物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)用,以實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制與JSON格式的相互轉(zhuǎn)換。

(4)部署成功后，注冊(cè)設(shè)備獲得唯一標(biāo)識(shí)deviceID，通過(guò)NB無(wú)線模塊聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)。(5)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)上報(bào)，在云平臺(tái)處保存并顯示數(shù)據(jù)。(6)云平臺(tái)進(jìn)行命令下發(fā)操作，在串口中接收到十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

■4.2 應(yīng)用層業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)

應(yīng)用層分為三層架構(gòu)，數(shù)據(jù)接口層、業(yè)務(wù)邏輯層、接口層 (API層 )。

數(shù)據(jù)接口層：該層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)處理，如煤氣設(shè)備的增加狀態(tài)、刪除設(shè)備、修改信息、查詢信息等。

業(yè)務(wù)邏輯層：該層主要有兩大職責(zé)，一是定義業(yè)務(wù)實(shí)體；二是業(yè)務(wù)邏輯的具體實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)主要對(duì)煤氣瓶設(shè)備管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)邏輯。

接口層(API層)：該層用來(lái)對(duì)接前端，為前端提供業(yè)務(wù)處理接口，將煤氣瓶的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互與更新，并通過(guò)前端展示在頁(yè)面上。

業(yè)務(wù)邏輯流程如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)邏輯流程圖

5 系統(tǒng)核心功能的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)使用的是常閉式振動(dòng)傳感器，煤氣瓶靜止時(shí)屬于低電平，振動(dòng)時(shí)低電平與高電平來(lái)回切換，獲取振動(dòng)信息，GPS模塊接收位置信息傳送給終端進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感器

{ GPIO_InitTypeDef Shake_GPIO_Init; //定義結(jié)構(gòu)

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

Shake_GPIO_Init GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;//配置GPIOA結(jié)構(gòu)體內(nèi)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(guò)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(kāi)gps

{ GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3); //開(kāi)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(dòng)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(guān)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(guān)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(shí)間

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

}

本系統(tǒng)主要圍繞NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤氣瓶監(jiān)測(cè)的功能，利用Spring Boot框架進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)在web端登陸系統(tǒng)之后進(jìn)行查看管理，本系統(tǒng)功能如下：

（1）設(shè)備管理。記錄了煤氣瓶的設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名詞、安裝區(qū)域、安裝位置、設(shè)備狀態(tài)等狀態(tài)信息，無(wú)論在哪終端都可以及時(shí)把位置發(fā)送給相關(guān)部門，提醒相關(guān)部門及時(shí)預(yù)防。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)給煤氣瓶進(jìn)行編號(hào)排序，高效查看對(duì)應(yīng)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(shí)了解煤氣罐的狀態(tài)。

（3）用戶管理。超級(jí)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(jī)號(hào)碼，狀態(tài)、創(chuàng)建時(shí)間等，并且指定用戶添加角色的權(quán)限。

（4）角色管理：可以對(duì)用戶進(jìn)行分配角色,超級(jí)管理員可以擁有所有的權(quán)限,可停用到角色的所有權(quán)限;對(duì)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(jí)管理員能夠查看所有登陸該網(wǎng)站的日志編號(hào)、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(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如圖4所示。

圖4 煤氣瓶移動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能圖

6 結(jié)束語(yǔ)

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(shù)的不足，提出了流動(dòng)攤販煤氣瓶移動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將NB-IoT技術(shù)與城市管理相結(jié)合，提升城市安全水平。本文主要完成的工作如下：查閱文獻(xiàn)，了解煤氣瓶安全監(jiān)管相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)煤氣瓶的安全監(jiān)管進(jìn)行分析，并依據(jù)分析給出煤氣瓶監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)方案。對(duì)嵌入式系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備終端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)間的通信。采用HTML+JS完成網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)，將信息以一個(gè)友好的方式展示給用戶。本文設(shè)計(jì)的煤氣瓶監(jiān)測(cè)終端滿足了設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣瓶狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是還有許多需要改進(jìn)的地方：考慮到功耗問(wèn)題，應(yīng)該從器件選型上考慮，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功耗。煤氣瓶監(jiān)測(cè)終端外殼重量還需要進(jìn)一步減輕，避免對(duì)煤氣瓶本身造成影響。壓力傳感器會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化，影響重量測(cè)量，可以考慮根據(jù)歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)進(jìn)行重量比對(duì)。