何 穎

（重慶燃氣集團股份有限公司九龍坡分公司，重慶 400037）

在科學(xué)技術(shù)的加持下，現(xiàn)階段各種能源的利用效率提升，利用方式也越來越豐富，極大的便捷著人們的生活。燃氣作為如今比較普及的一種能源類型，已經(jīng)融入大眾的日常生活中，成為生產(chǎn)生活一種重要的能源供應(yīng)類型。而隨著生態(tài)節(jié)約型社會的不斷呼吁和構(gòu)建，人們對于燃氣使用的安全性及利用效率提出了更高的要求，如希望能夠?qū)崿F(xiàn)燃氣充值的遠程辦理及燃氣的智能化使用，這是當(dāng)下群眾對于燃氣使用最為迫切的需求。此種背景下，燃氣公司理應(yīng)不斷與時俱進，進一步對現(xiàn)有的燃氣管理系統(tǒng)進行優(yōu)化和升級，滿足人們更高安全性和更高利用率、更加便捷使用方式的需求，實現(xiàn)燃氣管理與燃氣使用的智能化、信息化和便捷化，為群眾提供更加優(yōu)質(zhì)的燃氣服務(wù)

1 物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將燃氣表、家用燃氣管理終端、各種燃氣設(shè)備及燃氣使用人員等連接在一塊，實現(xiàn)動態(tài)管理并借此提供各種信息化服務(wù)的一種智能燃氣系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的燃氣系統(tǒng)，智能燃氣系統(tǒng)更加高效便捷，更符合現(xiàn)代社會的生產(chǎn)生活需要，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程抄讀用氣數(shù)據(jù)、遠程控制閥門、遠程調(diào)整氣價、遠程預(yù)付費、遠程自動上報故障等功能，解決了以往燃氣使用計費不便、收費困難、政策傳達效率低等困難，以及因為不能實時獲取用戶數(shù)據(jù)疊加燃氣價格波動而導(dǎo)致的燃氣公司經(jīng)濟損失的問題，有利于進一步推動燃氣公司的發(fā)展。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)主要有管理監(jiān)控軟件、NBioT 無線遠傳燃氣表組成，該燃氣表具有剛性優(yōu)良、耐壓性強、耐腐蝕的特點，參數(shù)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)，密封性好，質(zhì)量穩(wěn)定，因此得以在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。從類別上而言，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)主要分為有線集抄燃氣系統(tǒng)、無線集抄燃氣系統(tǒng)、IC 卡智能燃氣系統(tǒng)和基于GPRS 和CDMA 的智能燃氣系統(tǒng)，本文主要研究基于GPRS 和CDMA 的智能燃氣系統(tǒng)。

2 城鎮(zhèn)工程中現(xiàn)有燃氣系統(tǒng)的不足

2.1 鋪設(shè)成本高且穩(wěn)定性不足

有線集抄燃氣系統(tǒng)是燃氣公司傳統(tǒng)的燃氣系統(tǒng)，通過鋪設(shè)線路實現(xiàn)與燃氣用戶之間的物理連接。該系統(tǒng)有一個明顯的缺點，便是前期需要大量費用，用以進行線路的搭建，同時后期在使用的過程中還存在維修困難、運營負擔(dān)較大及穩(wěn)定性不強等問題，加劇了燃氣公司的成本負擔(dān)。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)在，傳統(tǒng)的燃氣系統(tǒng)已然難以滿足燃氣用戶的需求。目前仍在沿用的有線集抄燃氣系統(tǒng)，大多是因為成本回收仍未完成而在使用，一旦出現(xiàn)問題，維修緩慢、人力成本較高等問題將進一步凸顯，影響用戶天然氣的使用。

2.2 故障排查難度高

無線集抄燃氣系統(tǒng)目前在城鎮(zhèn)工程中比較普遍，雖該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)燃氣鋪設(shè)及有線集抄燃氣系統(tǒng)，但是在實際使用的過程中，無線集抄燃氣系統(tǒng)應(yīng)用過程中對于內(nèi)部鋰電的使用很重要，必須及時進行更換，而用戶在使用的過程中，往往會忘了更換鋰電池，導(dǎo)致燃氣運營商在某一時間節(jié)點會收到大量的故障報修電話，實際上只需要更換電池便可以解決問題，無端浪費了大量的維修資源和時間；而在服務(wù)過程中，也容易產(chǎn)生溝通問題，有時會影響使用效果和用戶的服務(wù)體驗。此外，由于無線的原因，或多或少存在不穩(wěn)定的因素，導(dǎo)致影響燃氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素有很多，排查難度很大，并且產(chǎn)生的維修費用較高。

2.3 信息更新的滯后性

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，IC 卡智能燃氣系統(tǒng)在城鎮(zhèn)工程中一度成為比較流行的燃氣系統(tǒng)，便捷了用戶的燃氣使用方式，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，IC 卡智能燃氣系統(tǒng)的功能也在不斷豐富，具有金額預(yù)警、余量預(yù)警、安全停氣、燃氣使用數(shù)據(jù)采集及過流報警等多重功能。但是不可否認的是，IC卡智能燃氣系統(tǒng)具有調(diào)價滯后、保密性較低及動態(tài)管理實時性較低等問題，諸如燃氣表損壞、偷氣等問題較難在第一時間解決，留下了一定的安全和使用隱患。

3 基于GPRS和CDMA的智能燃氣系統(tǒng)在城鎮(zhèn)工程中的應(yīng)用

3.1 基于GPRS和CDMA的智能燃氣系統(tǒng)介紹

在智能燃氣系統(tǒng)中，有線集抄燃氣系統(tǒng)是指燃氣公司通過與燃氣用戶之間鋪設(shè)線路，從而建立與燃氣用戶之間的物理連接；無線集抄燃氣系統(tǒng)是使用無線網(wǎng)絡(luò)代替“有線”的功能，通過網(wǎng)絡(luò)信號的發(fā)送與接收來實現(xiàn)各種功能；IC 卡智能燃氣系統(tǒng)主要通過燃氣表和IC 卡的方式實現(xiàn)用戶與管理端的連接，具有燃氣抄表簡單、準(zhǔn)確度高及充值使用等優(yōu)勢。

隨著時代的發(fā)展，上述三種智能燃氣系統(tǒng)的弊端越發(fā)凸顯，難以滿足群眾對于便捷燃氣使用的需求和要求，基于此，出現(xiàn)了基于GPRS 和CDMA 的智能燃氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能燃氣系統(tǒng)，與無線集抄燃氣系統(tǒng)類似，同樣是通過無線網(wǎng)絡(luò)來保障各種燃氣管理和燃氣服務(wù)功能的實現(xiàn)。與無線集抄燃氣系統(tǒng)不同的是，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能燃氣系統(tǒng)的技術(shù)支撐在于GPRS 和CDMA，通過全球定位系統(tǒng)及碼分多址通信系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能燃氣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線集抄燃氣系統(tǒng)的所有功能，并且數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，還能夠通過遠程控制實現(xiàn)故障檢修及發(fā)布預(yù)警信息等，服務(wù)更加穩(wěn)定，是未來燃氣公司在城鎮(zhèn)工程中的主要應(yīng)用方向。另外，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)還可以連接用戶們的手機APP，實現(xiàn)遠程的實時控制功能，接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。該智能燃氣系統(tǒng)對于穩(wěn)定移動基站的服務(wù)平臺信號具有很大的好處，并且還能降低后期的維護成本。該系統(tǒng)主要通過點對點的傳輸方式，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男始百Y費統(tǒng)計的準(zhǔn)確性，并且保密性較強。

3.2 具體應(yīng)用

3.2.1 系統(tǒng)分析與架構(gòu)

本次在城鎮(zhèn)工程中應(yīng)用的燃氣系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)終端數(shù)據(jù)的收集與分析、遠程數(shù)據(jù)的讀取及安全控制等功能。基于此，本次所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)工作流程為：第一，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將終端設(shè)備序列號與用戶手機進行關(guān)聯(lián)，手機連接入網(wǎng)后即為在線狀態(tài)；第二，上位機通過信號控制將控制指令送達到終端設(shè)備，終端設(shè)備進行響應(yīng)并將反饋執(zhí)行結(jié)果報送至上位機，完成操作；第三，終端設(shè)備可以將自身設(shè)備狀態(tài)的變化主動告知上位機和使用者，上位機和使用者能夠采取相應(yīng)的處理措施。如某一用戶長期未使用燃氣設(shè)備，燃氣終端將這一狀態(tài)主動報送給上位機，上位機下達關(guān)閉燃氣表閥門的指令，終端設(shè)備接收到指令后關(guān)閉閥門并將關(guān)閉狀態(tài)反饋至上位機，完成整個控制流程。

3.2.2 硬件設(shè)計

本設(shè)計的硬件部分采用PCB 即印制電路板制作，PCB 可以實現(xiàn)電路中各個元器件的電氣連接，代替復(fù)雜的布線，同時PCB 板的設(shè)計是電路設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)，也是對原理電路的再設(shè)計。該燃氣系統(tǒng)的硬件組成主要包括MCU 及通信模塊、電源、閥門控制器、液晶顯示器及泄漏報警器等，具有計量計費、閥門控制、液晶顯示、繳費充值及泄漏報警等功能。其中，MCU 主要采用PIC24FJ128GA306單片機作為主控制芯片，采用64引腳封裝形式，該單片機具有高性能、低功耗的特點，可以儲存數(shù)據(jù)達20 a 以上，還可以提供直接尋址等多種模式，并可以對C 語言等計算機高級語言進行優(yōu)化，有助于系統(tǒng)的進一步開發(fā)與設(shè)計；通信模塊主要使用M6310模塊，該模塊屬于工業(yè)級硬件，能夠支持GPRS 數(shù)傳及GSM 短信業(yè)務(wù)，是實現(xiàn)終端設(shè)備與上位機的橋梁，也是本物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣系統(tǒng)的核心；電源主要由系統(tǒng)電源和GSM模塊電源組成，電源供應(yīng)主要來源于四節(jié)干電池，經(jīng)設(shè)備轉(zhuǎn)換成5 V，給設(shè)備內(nèi)的各種電路供電；閥門控制器主要是用閥控芯片SPX3010進行邏輯控制，控制原理為高低電，當(dāng)電路內(nèi)電流為高電平時，閥門打開，當(dāng)電路內(nèi)電流為低電平時，閥門關(guān)閉；液晶顯示器主要采用液晶片作為主要硬件設(shè)備，利用單片機內(nèi)部的LCD 驅(qū)動直接與液晶片連接，電壓梯形電阻也利用CPU 內(nèi)部梯形電阻電路，以降低功耗；泄漏報警器主要使用外置報警器，當(dāng)空氣中的燃氣達到一定濃度時，外置報警器的氣敏傳感器阻值變小，使電壓比較器正相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為低電平，MCU 中斷處理機制收到低電平報警信號后，立即切斷閥門，并上傳氣體泄漏狀態(tài)至上位機，通知運維人員及時進行處理。

3.2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括上位機軟件設(shè)計和下位機軟件設(shè)計兩個部分。其中上位機軟件設(shè)計主要采用Visual Basic6.0搭配Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫作為軟件技術(shù)支撐。具體的軟件工作流程設(shè)計為：上位機與網(wǎng)管連接，連接成功后根據(jù)實時狀態(tài)檢測決定是否采取相應(yīng)的管理行為，當(dāng)確定采取管理行為后，向終端設(shè)備發(fā)送相關(guān)指令，如充值、閥門控制等指令，終端設(shè)備接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)操作，并通過網(wǎng)關(guān)將執(zhí)行動作情況及結(jié)果反饋給上位機，上位機對反饋回來的數(shù)據(jù)進行分析和處理。

下位機軟件系統(tǒng)是一個微觀的實時操作系統(tǒng)，采取順序執(zhí)行機制，以確保下位機系統(tǒng)能夠?qū)τ跉怏w泄漏及閥門控制兩個功能保持高靈敏度和響應(yīng)度。下位機的工作流程為：首先進行系統(tǒng)初始化，包括CPU、LCD、M6310等硬件的初始化，并進行電池電壓監(jiān)測，確保電池能夠正常使用；其次設(shè)置信息接收碼，確保終端設(shè)備與上位機和用戶之間的網(wǎng)絡(luò)連接正常，之后系統(tǒng)進入主循環(huán)，主循環(huán)可處理的事件包括閥門控制、計量計費、泄漏報警、數(shù)據(jù)分析等；最后采取中斷措施，即在主循環(huán)工作的過程中出現(xiàn)異常情況，如燃氣泄漏或費用不足等依靠安全控制軟件設(shè)計，進行電平中斷或UART 口中斷，保障燃氣使用安全或提醒用戶繳費。

3.3 應(yīng)用效果

在通過系統(tǒng)設(shè)計后，在具體應(yīng)用之前對該智能燃氣系統(tǒng)進行測試。測試的過程中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的計量計費功能較為準(zhǔn)確，滿足預(yù)期要求，具有較高的精準(zhǔn)度，不僅提高了天然氣計量計費的工作效率，將人力從傳統(tǒng)的計量計費工作中解放出來，還能給用戶查詢用量費用帶來了便利，實現(xiàn)了雙向便捷；該設(shè)備的遠程通信控制良好，從指令發(fā)出到指令接收、完成指令并反饋信息，整個通信過程用時平均約為15s，滿足日常燃氣管理需求，其中常見的閥門控制指令和充值繳費指令通信時長分別為16s 和13s，能夠滿足當(dāng)事件發(fā)生時，及時止損，避免危害和損失的進一步擴大，安全系數(shù)得以提升?；谏鲜鰷y試結(jié)果可知，在城鎮(zhèn)工程中應(yīng)用該智能燃氣系統(tǒng)能夠滿足用戶的使用需求，也能夠進一步提高燃氣公司對于燃氣設(shè)備的管理效率，提升燃氣服務(wù)水平，因此可以在技術(shù)進一步成熟并得到確認之后，進行普及和推廣。

4 結(jié)束語

隨著未來城市化進程的不斷加快，以及人們對于生活質(zhì)量要求的提高，燃氣作為一種日常生產(chǎn)生活常見的能源類型，人們對于燃氣使用及相應(yīng)的服務(wù)要求將越來越高，對于使用燃氣過程中的安全保障功能也會越來越重視，這給燃氣公司提高燃氣使用管理能力提出了更大的考驗。因此，燃氣公司應(yīng)該結(jié)合時代發(fā)展趨勢，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展下，更新和創(chuàng)新燃氣管理系統(tǒng)，加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，從而不斷提高燃氣管理效率和水平，在實現(xiàn)高水準(zhǔn)燃氣服務(wù)的同時，降低成本，做到能源供應(yīng)的資源優(yōu)化配置，推動實現(xiàn)燃氣能源行業(yè)的綠色發(fā)展，踐行可持續(xù)的發(fā)展理念。而目前在眾多的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，物聯(lián)網(wǎng)作為一種與燃氣行業(yè)契合度較高的技術(shù)，通過在燃氣使用和管理的過程中引入物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)基于GPRS和CDMA 的智能燃氣系統(tǒng)，是實現(xiàn)上述目標(biāo)的可行之道。