基于物聯網技術的燃氣閥門遠程控制系統的研究

袁新顏，顧玲玲，金 龍

（江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226011）

0 引 言

燃氣作為農村、城市基礎設施的重要組成部分，在提高人民生活質量、改善自然環境和社會環境、推動經濟和社會的可持續發展等方面發揮著重要作用。但是，隨著燃氣行業的快速發展，燃氣管理方面存在的問題和弊端已逐漸凸顯，嚴重危害公共利益和公共安全。當燃氣質量較差時，很容易發生火災、爆炸等安全事故。目前，有些地區存在瓶裝燃氣市場經營混亂、違章操作等問題，比如：非法倒氣現象、向燃氣鋼瓶內壓縮空氣現象、使用報廢或不合格燃氣鋼瓶、鋼瓶容易丟失現象等。物聯網技術可以有效解決這些問題。作為繼互聯網之后最重大的科技創新之一，物聯網通過各種信息傳感器、射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管和管理。

通過使用RFID無線射頻、GPS定位、WiFi無線傳輸等技術，將燃氣閥門和燃氣鋼瓶、燃氣充氣槍進行遠程跟蹤管理，從而實現燃氣遠程監管，降低發生燃氣安全事故的可能性。

1 系統總體設計

基于物聯網技術的燃氣閥門遠程控制系統包括燃氣閥門及帶定位功能的燃氣鋼瓶控制系統、燃氣充氣槍控制系統、遠程監控系統。在燃氣鋼瓶上安裝貼有RFID標簽的燃氣閥門，燃氣閥門和燃氣鋼瓶組合在一起，具備定位功能。燃氣鋼瓶通過燃氣充氣槍充氣時，通過充氣槍上的讀寫器模塊讀取判斷燃氣閥門上的標簽信息是否與系統中存留的信息匹配，如果信息匹配，則打開燃氣充氣槍進行充氣，否則無法正常充氣。而普通用戶無法私自打開燃氣鋼瓶閥門，從而可以防止未合規鋼瓶的使用以及不法商販私自倒氣等違法行為。在使用燃氣槍充氣時，控制系統的讀寫器讀取鋼瓶標簽信息，通過WiFi無線通信技術將燃氣鋼瓶相關信息傳輸到云端服務器，鋼瓶充氣次數等數據信息通過讀寫器同時寫入電子標簽中。每個燃氣鋼瓶上安裝GPS定位系統，采用GPRS傳輸方式將鋼瓶位置信息上傳至服務器，可以實現燃氣鋼瓶位置跟蹤及數據分析。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2 系統硬件設計

系統的硬件部分主要包括燃氣閥門控制系統、帶定位功能的燃氣鋼瓶及燃氣充氣槍控制系統兩個部分，一個燃氣閥門對應一個燃氣鋼瓶，可以認為閥門和鋼瓶是一個整體。

2.1 燃氣閥門、燃氣鋼瓶控制系統硬件設計

以STM32G4的MCU作為控制器，使用UBX-M8030-KT GPS模塊采集燃氣鋼瓶的位置信息，使用GPRS通信方式通過SIM800C模塊將采集到的燃氣鋼瓶信息傳輸到云端服務器中。STM32G4基于ARM Cortex-M4內核，支持FPU和DSP指令集，主頻高達170 MHz，允許外圍設備之間的自主通信進一步解放CPU資源，完全滿足本部分控制系統的需求。GPRS模塊實現燃氣鋼瓶定位信息的傳輸，它是燃氣閥門和燃氣鋼瓶控制系統的重要組成部分。選擇SIMCOM公司的SIM800C模塊作為GPRS通信模塊，其性價比高、性能穩定可靠，通過串口與單片機通信。

GPS模塊主要作用是獲取世界標準時間（UTC）以及所在位置的定位數據等信息。本文中燃氣鋼瓶位置由經度、緯度坐標系統識別，選擇UBLOX公司NEO-6M模塊作為GPS模塊。NEO-6M具有高靈敏度、低功耗、小型化的特點，非常適合于移動定位系統的使用。定位模塊通過串口收發信息保持與控制系統的通信，控制系統及時對位置信息進行解析，將數據發送給GPRS模塊，最后傳送到云端服務器。

2.2 燃氣充氣槍控制系統硬件設計

為了識別燃氣充氣槍的芯片識別功能，也是以STM32G4的MCU作為控制器，采用RC522射頻模塊讀寫燃氣閥門標簽內的數據信息，以WiFi無線通信方式將數據傳輸到云端服務器上。選擇NXP公司的MFRC522模塊作為RFID模塊，通過SPI協議接口正確控制燃氣閥門的打開和關閉。控制器通過串口與ESP8266 WiFi 模塊進行數據傳輸，將電子標簽內容傳輸到服務器。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括智能燃氣閥門及燃氣鋼瓶控制系統軟件設計、智能燃氣充氣槍控制系統軟件設計及服務器端的遠程監控系統軟件設計。控制系統軟件開發工具采用Keil μVision5，以C語言為編程語言。遠程監控系統采用Microsoft Visual Studio 作為開發環境，以 C#語言為編程語言，數據庫采用SQL Server 2008。

3.1 燃氣閥門及燃氣鋼瓶控制軟件系統設計

燃氣閥門及燃氣鋼瓶主要任務是實現控制節點與GPS模塊、GPRS通信模塊之間通信，從而實現燃氣鋼瓶的定位功能。當STM32G4控制節點上電后，系統對各個模塊進行初始化，其中串口與GPRS模塊和GPS模塊進行通信，定時器用于判斷所接收數據的數據完整性。在串口中斷程序執行數據的接收操作，如果程序出現異常情況，能自動復位程序，并初始化GPRS通信模塊和GPS定位模塊。當全部模塊初始化成功后，則進入 while（）循環，判斷是否獲取定位信息，然后通過GPRS通信模塊發送定位數據。燃氣閥門與鋼瓶控制軟件流程如圖2所示。

圖2 燃氣閥門與鋼瓶控制軟件流程

3.2 燃氣充氣槍控制軟件系統設計

燃氣充氣槍主要任務是實現控制節點與RFID模塊、WiFi通信模塊之間通信，從而實現燃氣充氣以及獲取或更新燃氣閥門標簽內的數據信息，達到鋼瓶在合規充氣站充氣的目的，防止不合格鋼瓶流入市場，加強了瓶裝燃氣市場監管工作。當STM32G4控制節點上電后，系統初始化串口、外設接口、定時器等。其中串口外設接口SPI與RC522模塊通信，串口與WiFi模塊通信。當所有模塊都初始化成功后，進入while（）循環，控制器讀取燃氣閥門標簽信息與數據庫中存儲的序列號進行比對，匹配成功后導通電磁鐵電路，所產生的磁力會克服閥門阻力打開閥門進行充氣。燃氣鋼瓶閥門IC卡標簽中的充裝數據被讀取后通過WiFi模塊上傳到服務器，充氣信息會更新到IC卡。軟件流程如圖3所示。

圖3 燃氣槍軟件流程

3.3 遠程監控系統設計

遠程服務器端的遠程監控系統主要實現燃氣鋼瓶充裝信息的監管、燃氣鋼瓶定位、路徑規劃推薦等功能，便于動態管理。本監控系統包括用戶登錄、用戶信息管理、鋼瓶信息管理、鋼瓶路徑跟蹤四個功能模塊。

鋼瓶信息管理模塊在輸入鋼瓶編號后可以顯示鋼瓶所在位置的經度和緯度、鋼瓶充裝燃氣次數、充裝人員姓名、每次充裝時間和充裝地點信息。鋼瓶路徑跟蹤模塊在輸入待跟蹤鋼瓶的編號以及跟蹤點的經度和緯度數據后，加載電子地圖數據信息便可以生成對應最短路徑，并顯示電子地圖。

電子地圖是利用計算機技術以數字方式來儲存空間信息和屬性信息的圖像，具有很強的可視化特性。本系統使用Map Info 軟件來制作電子地圖，以本市某區域作為繪制仿真電子地圖的樣本。使用百度地圖提取路口經緯度數據和各路段長度及連接情況等路段信息。使用Map Info創建點，根據各路段連接情況連接各個點，并注明路段信息。Map Info讀取這些數據信息點圖層和線圖層，通過疊加這兩個圖層生成電子地圖。使用Dijkstra算法進行路徑規劃，通過Map Basic 語言實現Dijkstra 算法仿真，計算起點到指定終點的最短路徑及搜索時間，以藍色標記最短路徑，方便在遠程監控系統中顯示。

4 結 語

本文設計一種基于物聯網技術的燃氣閥門遠程控制系統，該控制系統可以實現防充、芯片識別、定位和信息管理等功能，從而降低燃氣安全事故發生的可能性。雖然對系統進行了一定的研究，但由于實驗條件、人力物力等多方面的限制，對設計的系統只進行了簡單的功能測試，還需要進一步的優化和完善。