餐饮业液化气罐物联网智能管理系统

汪 滢， 于 洋， 张延华

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

众所周知，液化石油气属于易燃易爆品，其爆炸威力相当大，但由于当下管理工具和管理方法的缺失，燃爆事故频繁发生，造成了巨大的人员和财产损失.而目前国内的液化气罐并没有一个完整的管理系统，所以，我们利用物联网应用技术开发了一个平台型系统——餐饮业液化气罐物联网智能管理系统.首先，加气站、饭店端、物流端通过RFID标签、各种传感器等采集设备采集液化气罐数据并进行短距离传递.然后，通过GPRS和ZIGBEE无线通信技术向云端服务器传递数据并处理、保存.基于物联网技术围绕每一个可以正常使用的液化气罐，从它投入市场被使用的那一刻开始，多渠道获取其灌装、运输、使用等一个又一个“点”的信息；把这些信息连贯记录并逻辑推理，还原其无限接近真实动作轨迹的“线”；再基于加气站、物流商、饭店、政府的不同视角，将众多的线以不同的“面”组合、呈现；而不同人的不同反应动作，则使得这一立体的“平台”得以成型.最终，所有的记录将在时间轴上沉淀，通过各种不同的算法，我们将获取历史上从未有过的、餐饮业所用液化石油气罐的多层面的大数据.

1 系统组成

数据流向：液化气罐在加气站中充气，满足一定的要求后被确认为合格罐就可以被充气，充气后的数据上传到云端数据中心，气罐经过物流公司(以后需要定位和数据传输功能)送到饭店，饭店端使用时的用户量被传输到云端数据中心.系统结构如图1所示.

图1 系统结构

2 模块设计

各模块设计均是基于微信平台进行设计的.

2.1 加气站模块设计

加气站管理者手机界面如图2所示.

图2 加气站管理者手机界面

加气站的软件设计主要是让加气站的管理者了解每天的运营状况以及内部管理的一些通知.

第1部分，仅对某个加气站做的紧急情况显示通知，这样在加气站管理者打开微信的时候，最明显地显示出来.显示的内容可能是后台手动添加的，比如：加气站方面重要政策的通知；也可能是这个加气站自动生成的管理信息，比如：灌装证快到期了，需要尽快安排人去培训或者是电池快没有电了，需要更换，做相应的通知.

第2部分，这部分是加气站管理者看的重点，加气站管理者需要知道自己加气站的经营状况，以及员工的表现情况.

第3部分，加气站灌装员每年都需要培训教育才能上岗.依据规范的要求，每罐都需要对应灌装员，所以，一旦灌装员不合格，加气机不能工作.因此，这方面的提示是非常必要的.

2.2 物流商模块设计

物流商手机界面为一竖条(不翻页)显示，信息按主、次之分由上到下显示，具体见图3.物流商主要关心他服务的客户是多少、他的应收款是多少、着急配送的客户是多少.上述的界面设计就是考虑到这些方面的因素.

其中坏账是指没有收上来的钱客户又不能支付的.比如：饭店搬走，又联系不上人.由物流商的管理者来确认该账是否为坏账.

图3 物流端手机界面

状态位说明：

(1) 正常用气：饭店正常经营时的用气状态，日均消耗的用气状态；

(2) 未用气：是指前一天的用气量小于某个值，比如小于日均消耗的10 %即视为未用气，可能停工了；

(3) 经营异常：连续N天达到未用气状态，估计饭店经营有问题了，提示物流商送气罐时注意；

(4) 已出兑：此状态为以后的工作做准备，这个状态应该由物流商提供，所以，需要有一个按钮，需要物流商点取，点取以后，饭店端就变成了“已出兑”状态.

2.3 饭店端模块设计

饭店端手机界面如图4所示.

饭店端模块最重要的是体现两点：(1)气罐的状态显示，并可以手动或自动形成订单；(2)电子鼻的报警，显示哪个电子鼻报警，如果报警可以直接联系物流商.

图4 饭店端手机界面

3 硬件系统构成

3.1 加气站端

(1) 安装RFID

在气瓶底部安装RFID，用于对气瓶的身份识别.RFID(radio frequency identification)即无线射频识别，俗称电子标签、电子条码.作为一种自动识别技术，无线射频识别技术最大的优点在于非接触的目标识别[1].按照规定，气瓶定期进行检测，检测合格后方可安装授权的RFID，并且系统服务器记录下该RFID号码对应的气瓶钢印编号及归属生产日期、检测日期等信息.

(2) 加气站组成及工作流程

在加气机底部的电子秤中间安装气瓶RFID识读器，用于识别气瓶底部的RFID.在现有加气机操作部分旁边加装控制器，用于连接加气机底部安装的RFID识读器，同时连接现有加气机的控制板，通过RS-232或RS-485和继电器控制端进行控制.RS-232和RS-485各有特点，两个不同的标准之间并不直接兼容，但是在控制场合和仪表应用中，常常需要在它们之间进行数据通讯和接口转换[2].

在加气站安装加气站通信控制器，具有GPRS和ZIGBEE通信功能.ZIGBEE 网络组网方式丰富灵活，具有很强的动态自组织特性[3].

当气瓶放置在加气机底部的电子秤上后，气瓶RFID识读器读取气瓶的RFID序号，并且传送给加气机控制器.加气时，加气员将佩戴在手腕上的工作卡靠近控制器，控制器通过ZIGBEE无线通道把数据发送给加气站通信控制器，加气站通信控制器通过GPRS通信通道将气瓶的信息及加气员信息一同上传至服务器，服务器在通过判定后，回传给加气机控制器允许或禁止信号，若允许，加气机开始加气，或禁止，加气机禁止给该气瓶加气.

加气完毕，加气机控制器读取加气机的加气质量并通过通信控制器传递给服务器，至此完成一次加气过程.

加气站端系统组成及流程如图5所示.

图5 加气站端系统组成及流程

3.2 餐饮企业端

餐饮企业是终端用户端，由电子秤、电子鼻、电磁阀、控制主机组成.结构见图6.

图6 餐饮端系统组成及流程

电子秤：电子秤底部装有气瓶RFID识读器，并装有控制器，具有ZIGBEE无线通信功能.当放置气瓶时，其作用是实时监测气瓶及气体质量.气瓶RFID识读器是用于识别气瓶底部的RFID.

电子鼻：目前，用于可燃性气体检测的系统种类多样，产品繁复，设计风格和应用原理都各不相同，而系统结构还是大同小异[4]. 电子鼻是适用于许多系统中测量一种或多种气味物质的气体敏感系统[5]，放置于厨房或用燃气的场所，用于监测空气中可燃气体(一般为甲烷)的浓度，同时具有ZIGBEE无线通信功能.当空气中的可燃气体的浓度高于设定的标准值，电子鼻报警，并且通过ZIGBEE无线通信通道，传送给控制主机.

电磁阀：安装在气瓶出气口减压阀的后端，具有ZIGBEE无线通信功能，通过该功能受控于控制主机.

控制主机：具有ZIGBEE无线通信功能和GPRS无线通信功能.

ZIGBEE具有无通信功能，用于和电子秤、电子鼻、电磁阀进行实时的无线通信；GPRS无线通信功能是用于通过移动运营商的网络与服务器进行双向数据通信.

当气瓶放置在电子秤上时，电子秤读取气瓶底部RFID，实时读取气瓶质量，并传递给控制主机.电子鼻实时监测空气中可燃气体的浓度，超过限定值后立即向控制主机报警，控制主机通知电磁阀进行关闭，并通过GPRS网络上报至服务器.检测、电磁阀关闭功能速度快，时间小于3 s.

4 控制器与服务器通信协议

4.1 协议说明

根据系统总体设计，控制器与服务器之间采用GPRS网络作为无线网络通道，通信协议为TCP/IP，TCP/IP 通信协议分别由传输控制通信协议(TCP)及因特网通信协议(IP) 2 部分组成[6].在软件编程时，需要在业务流程分析的基础上，对每个模块的详细功能进行分解，以符合业务流程中的管理细节[7].

饭店端DTU上传的数据中含有温度，用十六进制HEX码表示，长度为一个字节.温度包括零上零下，不含小数点后的位数，只表示整数位.温度范围：-55～+125 ℃，表示方法，数据减去100为实际值，即100以下为零下，100以上为零上.举例：0x7D=125表示+25 ℃，0x4B=75表示零下25 ℃.

4.2 协议的基本格式

每一帧数据的基本格式如下：

同步码(2Byte)+系统编号(1Byte)+协议版本号(1个字节)+命令码(1Byte)+数据个数(1Byte)+数据(NByte)+CRC(2Byte).

同步码：0xAA，0x55，2个字节；

系统编号：暂定为 0x01，1个字节；

协议版本号： 0x00-0xFF，1个字节；

命令码：1个字节；

数据个数：1个字节；

命令码：以十六进制表示.

协议见表1.

表1 协议

4.3 网络配置命令及回复命令

通过GPRS网络，服务器对GPRS终端进行网络参数配置，包括IP地址端口或域名、心跳包时间间隔等.

2018年秋天，一批有才华有情怀的文友在订户相对集中的市县牵头设立了五十多个《星火》读者驿站，把星火燎原的祝愿变成了隐约可见的现实。

同步码(2Byte)+系统编号(1Byte)+协议版本号(1个字节)+命令码(1Byte)+数据个数(1Byte)+数据(NByte)+CRC(2Byte).

数据个数：是指实际的数据个数；

CRC： 范围为同步码以后，系统编号开始到CRC前的数据.

4.4 加气站与服务器的通信

加气站控制器向服务器发送气罐加气验证请求，服务器得到命令判断是否允许加气，并返回给加气站控制器，发出是否允许加气的命令.通信过程如图7所示.

图7 加气站与服务器的通信

同步码(2Byte)+系统编号(1Byte)+协议版本号(1个字节)+命令码(1Byte)+数据个数(1Byte)+数据(NByte)+CRC(2Byte).

4.5 循环冗余校验

在串行数据传输中广泛采用循环冗余校验码CRC(cyclic redundancy check)来测试一个数据包是否有错误发生，虽然循环冗余校验码的理论较为复杂[8]，但实现检错的基本原理十分简单.原理如下：

#include

unsigned char test[16]=

{0x10，0x10，0x05，0xef，0x78，0x05，0x89，0x12，0x45，0x78，0xac，0xef，0xd5，0xe0，0x5a，0xff}；

void main(void)

{

unsigned long temp=0；

unsigned intcrc；

unsigned char i；

unsigned char*ptr=test；

while(len--)

{

for(i=0x80；i!=0；i=i≫1)

{

temp=temp*2；

if((temp&0x10000)!=0)

{

temp=temp^0x11021；

}

if((*ptr& i)!=0)

{

temp=temp^(0x10000^0x11021)；

}

}

ptr++；

}

crc=temp；

}

5 总 结

利用物联网具有实时的海量化信息、多样化种类的接入设备以及物物互通的智能化等特点，开发了餐饮业液化气罐物联网智能管理系统.通过在液化气罐上安装RFID来采集实时数据并传递给控制器，再通过GPRS、ZIGBEE无线传输技术传到服务器端；同时为加气站、物流端、饭店端设计了微信平台，微信显示内容各自略有不同.这使液化气罐在餐饮业的使用有了一个智能化的管理系统，做到了加气站、物流商、饭店一体化的闭环系统.

虽然物联网技术在目前已是非常成熟的技术，但在液化气罐上的应用确是少之又少，所以，研究液化气罐管理系统是比较新颖和实用的.不过也存在一些不足，例如电子器件的失灵、一家饭店的气罐没有使用完被放到另一家等一些复杂工况，这都需要做出准确判断.所以，在不断完善的先进技术支持下，液化气罐物联网智能管理将更加完善.