基于物联网的燃气监测报警系统的设计研究

2022-07-23于志宏

现代制造技术与装备 2022年6期

于志宏

（衡水职业技术学院，衡水 053000）

燃气的使用关系到人们的生命财产安全，因此对燃气使用的全过程进行监管十分重要。但是，传统的燃气监管系统存在系统机制薄弱、监控报警能力较弱等问题。本文设计的基于物联网的燃气监测报警系统融合了通信、大数据等技术，可以实现对燃气管网的数据采集、处理、监控和报警等功能。燃气输配单位可通过监控管网的流量、压力、温度等数据，灵活配置相关报警参数，从而全面提升燃气输配单位的运营管理水平，保障人们的生活安全。

1 系统总体架构设计

从结构上看，基于物联网的燃气监控报警系统可以划分为感控层、网络层和应用层3层[1]。系统架构设计如图1所示。感控层位于系统的底层，用来完成对数据的采集、测量和控制。它主要由各种传感器构成，分布于工业用户、城区管网末端等进行数据采集，同时检测管道内燃气的流量、温度、压力等参数。网络层位于系统的中间，也称为传输层，主要完成数据接入、数据集中、数据交换。本系统采用无线接入，同时对通信模块进行了兼容性设计。应用层位于系统的顶层，主要完成对数据的监控和管理等。其中：管理应用层主要包括数据库和通信软件；行业应用层主要包括与相关服务器端的软件业务。

2 三层体系架构的设计与实现

2.1 感控层的设计与实现

2.1.1 燃气监测终端的硬件设计

硬件总体设计框图如图2所示。主控模块实现系统的控制功能，核心部件是微处理器。数据采集模块实现数据采集，核心部件是流量计。通过采集流量计内的数据，将其上传至服务器[2]。电动阀体DN50主要是主控芯片输入/输出（Input/Output，I/O）接口通过通信模块控制电机驱动燃气阀门的打开与关闭，实现远程控制燃气的开关。显示模块液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）主要用来显示充值时间、充值金额等。通信模块主要用于上下位机之间的信息传输。

2.1.2 燃气监测终端的软件设计

系统处于正常工作状态下时，因使用市电，可以忽略监测终端设备功耗。当系统处于断开市电状态时，若软件设定主控单元空闲状态超过3 min，则进入低功耗休眠模式。可以采用实时时钟（Real Time Clock，RTC）唤醒主控单元的低功耗模式，或者利用通信模块主动唤醒终端[3]。主程序的执行过程如图3所示。

2.2 网络层的设计与实现

网络层连接着感控层与应用层，因此通信模块是网络层的重要组成部分，用来实现系统的数据通信。

2.2.1 通信模块硬件设计

系统采用通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）通信，选用Air202模块。GPRS模块利用客户识别模块（Subscriber Identity Module，SIM）卡实现远程通信。主控芯片STM32与通信模块Air202之间采用低成本且高稳定性的接线板串口通信，并保留了多个通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串口，便于兼容[4]。

2.2.2 通信模块软件设计

通信模块Air202支持AT（Attention）指令，因此系统设计中Air202 GPRS模块与主控芯片STM32主要利用AT指令进行入网、连接服务器等操作[5]。在测试阶段，可以借助调试工具向通信模块Air202发送相关AT指令实现网络连接也可以根据主控芯片STM32的输入/输出（Input/Output，I/O）引脚判断网络连接状态[6]。图4 为GPRS通信模块与主控单元STM32通信的流程图。

2.3 应用层的设计与实现

应用层包含调压站、门站、监控中心等一系列软件[7]。本文主要研究应用层的核心部分，即监控系统软件。系统采用多层浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式和客户端/服务器（Client/Server，C/S）体系结构[8-9]。燃气物联网平台的架构采用的是Spring+Struct2+Hibernate框架集，简化了对数据库的开发操作，提高了开发效率。服务器端主要实现对异常数据给出报警信号、实时监控下位机数据等业务。设计Web端时，需要为使用者提供直观、易读、友好的交互界面，且尽量简化操作流程。燃气物联网平台的总体技术架构如图5所示[10-13]。