LPG钢瓶智能管理物联网系统研发

程主彬，权亚强

(成都秦川物联网科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 LPG钢瓶管理现状和监管要求

目前大多LPG相关单位采取了二维码系统或电子标签RFID信息系统对LPG钢瓶进行管理。

采用二维码系统的流程：将LPG钢瓶的基础信息预先录入后台设备中，并将二维码与该信息一一绑定，二维码贴装在LPG钢瓶上。在作业现场扫取二维码，获得通信权限再通过网络将后台信息调取到本地设备上查看，也可通过本地通信操作上传对LPG钢瓶的作业信息，从而实现LPG钢瓶二维码信息的更新及其与后台信息的同步。

采用电子标签RFID信息系统的流程：将LPG钢瓶的基础信息预先录入射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)芯片中，并生成唯一识别符号与该电子标签一一绑定，然后将电子标签注册在后台系统中。在作业现场通过RFID专用设备直接将对LPG钢瓶的作业信息写入RFID芯片，并将RFID芯片更新后的信息上传后台系统，从而实现LPG钢瓶RFID芯片信息的更新及其与后台信息的同步。

2019年12月，国家市场监管总局特种设备安全监察局发布《市场监管总局办公厅关于加快推进全国气瓶质量安全追溯体系建设的通知(市监特设〔2019〕69号)》(简称市监特设〔2019〕69号通知)，要求气瓶相关单位按照有关法规、安全技术规范和标准的要求，并参照GB/T 36373.1—2018《特种设备信息资源管理 数据元规范 第1部分：气瓶》和其他应用于气瓶的关于二维码、射频技术等成熟的追溯编码编制规则标准，依托安装在气瓶上的二维码、孔洞码、电子芯片或其他不易损坏的数据载体，自行建立或委托其他单位建立气瓶质量安全追溯信息平台，采集生产、监督检验、充装、定期检验等数据信息并有效存储与对外公示。存储与公示的信息应当做到可追溯、可交换、可查询和防篡改。

2 LPG钢瓶智能管理物联网系统研发

① 系统角色

在LPG钢瓶智能管理物联网系统研发中，以物理、信息和功能三体系物联网理论[1]为指导，将系统各相关方的角色分为5类，分别是用户、服务、管理、传感、对象。

a.用户是指消费者用户、政府钢瓶监管部门、其他社会企业用户等。

b.服务是以用户需求为导向，实现用户获取感知信息和传输控制信息的服务。

c.管理是指LPG钢瓶经营企业及其内部充装、检验、维护、配送、回收等业务实施者和通信网络管理运维者。

d.传感是指实现对象信息采集和上传的各类智能设备和人员等。

e.对象就是钢瓶及其瓶端智能管理模块等，瓶端智能管理模块中的无线通信模块在功能上属于传感网络平台。

② 系统结构

LPG钢瓶智能管理物联网系统结构见图1。

图1 LPG钢瓶智能管理物联网系统结构

平台开发公司为钢瓶制造厂家、充装企业等用户开发提供钢瓶管理云平台，为客户提供SaaS(软件即服务)服务，平台为不同的用户提供不同的访问地址，用户登录账号后，可访问平台。

2.1 对象平台

对象平台是实现感知和控制的功能平台，是用户意愿得到最终执行的环节[1]。对象平台获取用户平台的授权，进行自我感知与控制。对象平台包含LPG钢瓶、电子标签RFID模块以及瓶端智能管理模块等。对象平台由感知部分和控制部分组成。感知部分包含钢瓶电子标签、温压感应模块、倾斜角度感应模块、浓度感应模块、计量模块；控制部分包含阀控模块、显示模块。

① LPG钢瓶与电子标签

使用物联网RFID技术可将LPG钢瓶与防伪造、防撕揭的电子标签进行绑定。

a.钢瓶在充装前，通过手持机扫描钢瓶电子标签进行标签真伪的验证，可有效避免不合规钢瓶充装，保障钢瓶充装过程的安全。

b.在运输过程中，钢瓶上车前可通过手持机扫描钢瓶电子标签，将钢瓶信息与配送车辆信息进行绑定，确认配送车辆钢瓶运输是否满足监控的要求。

c.钢瓶年检时，通过扫描钢瓶电子标签可获取钢瓶的历史充装数据、检验数据等。其次需要检查钢瓶外观、气密性等，更新电子标签中钢瓶年检日期、钢瓶使用状态等。

d.检测合格后，通过手持机更新电子标签中钢瓶使用状态、下次年检日期等信息。

通过标签与钢瓶绑定的方式，落实监管者对钢瓶全生命周期的监管要求，在多个环节对异常钢瓶或黑名单钢瓶进行拦截。

② 瓶端智能管理模块

瓶端智能管理模块安装在钢瓶上，瓶端智能管理模块包含减压阀、锁死装置、流量计、电子计量单元、出口阀门、温压感应器、倾斜角度感应器、浓度感应器、显示屏、主控电路板等。

瓶端智能管理模块一端与钢瓶快速接头相连，另一端与用户软管相连。瓶端智能管理模块内的减压阀通过卡套与钢瓶快速接头连接，并用锁死装置锁死(避免用户随意拆卸瓶端智能管理模块)，经流量计、出口阀门连接至用户软管，出口阀门可接收主控电路板指令进行开关阀门操作。

瓶端智能管理模块由工作人员安装。在用户使用过程中，温压感应器、倾斜角度感应器、浓度感应器、电子计量单元(从流量计采集流量)将采集到的数据发送给主控电路板。当出现温度压力异常、角度异常、浓度异常、计量异常时，主控电路板立即向出口阀门发送关阀指令，并通过无线通信模块将异常信息上报给平台，同时通过显示屏显示异常信息，提示用户进行故障排查。

2.2 传感网络平台

传感网络平台连接管理平台与对象平台，实现将对象平台的感知信息传输给管理平台，将管理平台的控制信息传递给对象平台[1]。传感网络平台由无线通信模块、手持机通信模块、电信运营商通信平台、数据采集及通信平台组成，平台对通信的数据进行加密、认证、解析，为数据传输提供稳定、安全的传输通道。

在传感网络平台中，手持机通信模块一方面可以通过南向协议与电子标签进行通信，获取标签信息，通过手持机写入或更新标签数据；另一方面可以通过北向协议与管理平台进行通信，上报电子标签信息、钢瓶充装记录等信息，并可通过管理平台获取到电子标签真伪的验证结果、新钢瓶黑名单等信息。

瓶端智能管理模块所配置的无线通信模块借助电信运营商通信平台，通过协议与管理平台进行对接，定时上报钢瓶使用过程中的流量数据、累计气量数据等。当发生环境温度异常升高、钢瓶倾斜使用等情况触发报警时，会立即唤醒通信模块实时上报报警信息。同时，无线通信模块与管理平台通信时，也可以获取管理平台下发的关阀指令、参数设置指令、校准时间数据等。

2.3 管理平台

管理平台是实现物联网体系运行管理的功能平台，其实现物联网体系的感知管理与控制管理[1]。管理平台连接传感网络平台和服务平台，管理平台由制造信息平台、充装信息平台和监管信息平台组成，其汇总了物联网的全部信息，可对物联网信息进行认证、解析、分级分类存储及计算处理。

在管理平台中可以对钢瓶进行建档管理，当某一批次钢瓶出现质量问题后，可通过管理平台迅速定位到同厂家同批次钢瓶的信息。如遇超期使用的钢瓶，可通过下发黑名单，对钢瓶进行关阀操作，提示用户更换合格钢瓶。可向手持机发送黑名单，使不合格钢瓶在充装、运输等环节被拦截，保证钢瓶在充装及运输过程中的安全。对用户进行建档，当监控到钢瓶风险时，可第一时间联系用户，提醒用户进行风险排查。

管理平台可以通过收集各瓶端智能管理模块上传的用气记录，对用户的用气习惯进行分析，通过钢瓶累计用气量数据及用户日用气量数据等，对客户钢瓶剩余气量可用时间进行估算，将用气预警信息通过服务平台推送给用户。

管理平台根据用户的用气记录可匹配适应用户用气习惯的异常流量参数，通过传感网络平台下发至瓶端智能管理模块中。假如某用户2个月内的最大用气流量为0.76 m3/h，则可以设定其最大流量为0.8 m3/h并下发至瓶端智能管理模块。当LPG钢瓶在使用过程中，出现某个时间段最大流量超过0.8 m3/h，则瓶端智能管理模块进行蜂鸣报警，并将报警信息通过服务平台推送给用户，及时进行风险排除。风险排除后，可手动按键开阀，继续使用LPG钢瓶。

2.4 服务平台

服务平台以用户需求为导向，实现用户获取感知信息和传输控制信息[1]。服务平台连接管理平台和用户平台，服务平台可为不同用户提供不同的服务接口。服务平台通过服务系统为用户提供物联网服务，例如提供报警信息推送服务、提供用气预警信息等。

配送人员扫描车辆上的电子标签后，获取到配送车辆的信息，配送人员再对上车的钢瓶进行电子标签扫描，通过这个操作绑定钢瓶与配送车辆。绑定后，工作人员可以通过车辆位置信息，了解钢瓶当前位置。

钢瓶卸货时，配送人员扫描被卸下的钢瓶电子标签，同时系统也会获取钢瓶当前位置，得到钢瓶卸货地址。

钢瓶送达用户后，用户通过扫描钢瓶电子标签充值、打开阀门，进行开户操作。

工作人员可通过用户手机上报的钢瓶位置信息了解钢瓶使用位置，通过平台给瓶端智能管理模块下发开户指令，通过瓶端智能管理模块进行开阀、计费操作。

瓶端智能管理模块在钢瓶使用过程中可实时记录钢瓶的用气情况，并将相关信息发送到用户端，用户通过累计气量信息和钢瓶充装信息，可知道钢瓶气量的余量。

瓶端智能管理模块在钢瓶使用过程中可检测钢瓶的使用情况，感知钢瓶是否存在倾斜使用、是否温度异常、是否有泄漏等情况并报警，将信息通过服务平台推送给用户，让用户可第一时间确认钢瓶的异常使用并及时纠正，消除报警。

服务平台提供的控制服务包括：管理人员针对年检逾期、异常使用的钢瓶，下发钢瓶黑名单，限制异常钢瓶充装、运输、使用；服务平台为用户提供瓶端智能管理模块参数设置功能，用户通过服务平台下发瓶端智能管理模块参数设置值，实现钢瓶的定制监管，同时也可以帮助用户开启或关闭泄漏报警等控制功能。

2.5 用户平台

用户平台由消费者用户平台、钢瓶监管部门平台和企业用户平台组成，各类用户通过用户平台获取所需要的感知服务信息，将感知服务信息进行处理转化为用户感知信息；用户对用户感知信息进行分析，并结合自身意愿做出相应的决策，并将用户控制信息发送至服务平台，从而表现出用户意愿[1]。用户平台是物联网系统的主导者，也是感知服务的享受者。用户接收到感知服务信息后，会对信息进行分析、判断，发出相应的控制信息传输给对象，实现对对象的感知和控制[2]。

LPG钢瓶消费者通过手机APP、微信公众号、网页等了解所用钢瓶的使用情况，当接到报警信息时，应立即进行风险排查并上报排查结果，协助平台进行安全用气管理；当接到用气预警信息后应及时安排用气计划。

LPG钢瓶充装企业的作业人员，通过手持机读取、获取车辆信息及已装车LPG钢瓶信息，再次扫描待装车LPG钢瓶信息时，比对前后信息，确认是否存在超载等违规情况，如不满足装车要求，则进行装车方案调整。确认钢瓶运输满足安全规定后，完成装车操作，同时向系统发送钢瓶配送信息。

LPG钢瓶的年检机构人员通过手持机获取被检钢瓶的基本信息，对钢瓶的使用情况进行读取，并结合钢瓶外观的检查情况、气密性等测试数据，对钢瓶是否可以继续使用进行判断，并将检验结果反馈给系统，同时通过手持机设置钢瓶的下次年检时间。

3 钢瓶智能管理物联网系统作用及意义

LPG钢瓶智能管理物联网系统可通过手持机读取电子标签等方式实现各生产环节LPG钢瓶状态的实时上报，为LPG钢瓶管理和充装企业的精细化管理提供基础数据支撑，还能为政府监管部门对LPG钢瓶全生命周期的有效监管提供数据支撑，从而降低LPG钢瓶在各环节中的风险，可以实现广大用户和行业从业人员的安全利益最大化。

LPG钢瓶智能管理物联网系统的研发以服务广大城乡液化石油气消费者为指导思想，以LPG瓶装气经营者为管理主体，对钢瓶制造信息、充装信息、检测检验信息、配送和回收信息进行实时采集和管理，实现充装企业合法合规运营，以方便群众定期购气充值和安全需求为基础，适当开发智能化便民服务程序，并严格按市场监管总局的要求，在系统中设置相应接口和公示平台，接受政府主管部门的监督指导以及人民群众的监督，使瓶装LPG的用户和从业人员都得到安全保障，落实了市监特设〔2019〕69号通知要求的数据安全要求。

本系统的研发紧扣市监特设〔2019〕69号通知要求，可提高LPG钢瓶智能化安全监管手段和风险预警机制，使得监督检验、产品召回、监督检查、应急处置、事故调查工作中所需信息能及时追溯使用。LPG钢瓶智能管理物联网系统的正常运行，还需要和公安、住房城乡建设、商务等部门协调配合，加强身份信息、物权信息、地理信息等数据整合与互通，促进追溯信息协同管理、资源共享。

4 结论

阐述LPG钢瓶的管理现状和监管要求，以物理、信息和功能三体系物联网理论为指导，结合已有的LPG钢瓶电子标签RFID信息系统，开发LPG钢瓶智能管理物联网系统，提出将系统角色分为用户、服务、管理、传感、对象，指明系统由对象平台、传感网络平台、管理平台、服务平台、用户平台组成，分析各部分功能，明确系统作用及意义。