基于物联网技术的燃气阀门远程控制系统的研究

袁新颜，顾玲玲，金 龙

（江苏商贸职业学院，江苏 南通 226011）

0 引 言

燃气作为农村、城市基础设施的重要组成部分，在提高人民生活质量、改善自然环境和社会环境、推动经济和社会的可持续发展等方面发挥着重要作用。但是，随着燃气行业的快速发展，燃气管理方面存在的问题和弊端已逐渐凸显，严重危害公共利益和公共安全。当燃气质量较差时，很容易发生火灾、爆炸等安全事故。目前，有些地区存在瓶装燃气市场经营混乱、违章操作等问题，比如：非法倒气现象、向燃气钢瓶内压缩空气现象、使用报废或不合格燃气钢瓶、钢瓶容易丢失现象等。物联网技术可以有效解决这些问题。作为继互联网之后最重大的科技创新之一，物联网通过各种信息传感器、射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管和管理。

通过使用RFID无线射频、GPS定位、WiFi无线传输等技术，将燃气阀门和燃气钢瓶、燃气充气枪进行远程跟踪管理，从而实现燃气远程监管，降低发生燃气安全事故的可能性。

1 系统总体设计

基于物联网技术的燃气阀门远程控制系统包括燃气阀门及带定位功能的燃气钢瓶控制系统、燃气充气枪控制系统、远程监控系统。在燃气钢瓶上安装贴有RFID标签的燃气阀门，燃气阀门和燃气钢瓶组合在一起，具备定位功能。燃气钢瓶通过燃气充气枪充气时，通过充气枪上的读写器模块读取判断燃气阀门上的标签信息是否与系统中存留的信息匹配，如果信息匹配，则打开燃气充气枪进行充气，否则无法正常充气。而普通用户无法私自打开燃气钢瓶阀门，从而可以防止未合规钢瓶的使用以及不法商贩私自倒气等违法行为。在使用燃气枪充气时，控制系统的读写器读取钢瓶标签信息，通过WiFi无线通信技术将燃气钢瓶相关信息传输到云端服务器，钢瓶充气次数等数据信息通过读写器同时写入电子标签中。每个燃气钢瓶上安装GPS定位系统，采用GPRS传输方式将钢瓶位置信息上传至服务器，可以实现燃气钢瓶位置跟踪及数据分析。系统框架如图1所示。

图1 系统框架

2 系统硬件设计

系统的硬件部分主要包括燃气阀门控制系统、带定位功能的燃气钢瓶及燃气充气枪控制系统两个部分，一个燃气阀门对应一个燃气钢瓶，可以认为阀门和钢瓶是一个整体。

2.1 燃气阀门、燃气钢瓶控制系统硬件设计

以STM32G4的MCU作为控制器，使用UBX-M8030-KT GPS模块采集燃气钢瓶的位置信息，使用GPRS通信方式通过SIM800C模块将采集到的燃气钢瓶信息传输到云端服务器中。STM32G4基于ARM Cortex-M4内核，支持FPU和DSP指令集，主频高达170 MHz，允许外围设备之间的自主通信进一步解放CPU资源，完全满足本部分控制系统的需求。GPRS模块实现燃气钢瓶定位信息的传输，它是燃气阀门和燃气钢瓶控制系统的重要组成部分。选择SIMCOM公司的SIM800C模块作为GPRS通信模块，其性价比高、性能稳定可靠，通过串口与单片机通信。

GPS模块主要作用是获取世界标准时间（UTC）以及所在位置的定位数据等信息。本文中燃气钢瓶位置由经度、纬度坐标系统识别，选择UBLOX公司NEO-6M模块作为GPS模块。NEO-6M具有高灵敏度、低功耗、小型化的特点，非常适合于移动定位系统的使用。定位模块通过串口收发信息保持与控制系统的通信，控制系统及时对位置信息进行解析，将数据发送给GPRS模块，最后传送到云端服务器。

2.2 燃气充气枪控制系统硬件设计

为了识别燃气充气枪的芯片识别功能，也是以STM32G4的MCU作为控制器，采用RC522射频模块读写燃气阀门标签内的数据信息，以WiFi无线通信方式将数据传输到云端服务器上。选择NXP公司的MFRC522模块作为RFID模块，通过SPI协议接口正确控制燃气阀门的打开和关闭。控制器通过串口与ESP8266 WiFi 模块进行数据传输，将电子标签内容传输到服务器。

3 系统软件设计

系统软件设计包括智能燃气阀门及燃气钢瓶控制系统软件设计、智能燃气充气枪控制系统软件设计及服务器端的远程监控系统软件设计。控制系统软件开发工具采用Keil μVision5，以C语言为编程语言。远程监控系统采用Microsoft Visual Studio 作为开发环境，以 C#语言为编程语言，数据库采用SQL Server 2008。

3.1 燃气阀门及燃气钢瓶控制软件系统设计

燃气阀门及燃气钢瓶主要任务是实现控制节点与GPS模块、GPRS通信模块之间通信，从而实现燃气钢瓶的定位功能。当STM32G4控制节点上电后，系统对各个模块进行初始化，其中串口与GPRS模块和GPS模块进行通信，定时器用于判断所接收数据的数据完整性。在串口中断程序执行数据的接收操作，如果程序出现异常情况，能自动复位程序，并初始化GPRS通信模块和GPS定位模块。当全部模块初始化成功后，则进入 while（）循环，判断是否获取定位信息，然后通过GPRS通信模块发送定位数据。燃气阀门与钢瓶控制软件流程如图2所示。

图2 燃气阀门与钢瓶控制软件流程

3.2 燃气充气枪控制软件系统设计

燃气充气枪主要任务是实现控制节点与RFID模块、WiFi通信模块之间通信，从而实现燃气充气以及获取或更新燃气阀门标签内的数据信息，达到钢瓶在合规充气站充气的目的，防止不合格钢瓶流入市场，加强了瓶装燃气市场监管工作。当STM32G4控制节点上电后，系统初始化串口、外设接口、定时器等。其中串口外设接口SPI与RC522模块通信，串口与WiFi模块通信。当所有模块都初始化成功后，进入while（）循环，控制器读取燃气阀门标签信息与数据库中存储的序列号进行比对，匹配成功后导通电磁铁电路，所产生的磁力会克服阀门阻力打开阀门进行充气。燃气钢瓶阀门IC卡标签中的充装数据被读取后通过WiFi模块上传到服务器，充气信息会更新到IC卡。软件流程如图3所示。

图3 燃气枪软件流程

3.3 远程监控系统设计

远程服务器端的远程监控系统主要实现燃气钢瓶充装信息的监管、燃气钢瓶定位、路径规划推荐等功能，便于动态管理。本监控系统包括用户登录、用户信息管理、钢瓶信息管理、钢瓶路径跟踪四个功能模块。

钢瓶信息管理模块在输入钢瓶编号后可以显示钢瓶所在位置的经度和纬度、钢瓶充装燃气次数、充装人员姓名、每次充装时间和充装地点信息。钢瓶路径跟踪模块在输入待跟踪钢瓶的编号以及跟踪点的经度和纬度数据后，加载电子地图数据信息便可以生成对应最短路径，并显示电子地图。

电子地图是利用计算机技术以数字方式来储存空间信息和属性信息的图像，具有很强的可视化特性。本系统使用Map Info 软件来制作电子地图，以本市某区域作为绘制仿真电子地图的样本。使用百度地图提取路口经纬度数据和各路段长度及连接情况等路段信息。使用Map Info创建点，根据各路段连接情况连接各个点，并注明路段信息。Map Info读取这些数据信息点图层和线图层，通过叠加这两个图层生成电子地图。使用Dijkstra算法进行路径规划，通过Map Basic 语言实现Dijkstra 算法仿真，计算起点到指定终点的最短路径及搜索时间，以蓝色标记最短路径，方便在远程监控系统中显示。

4 结 语

本文设计一种基于物联网技术的燃气阀门远程控制系统，该控制系统可以实现防充、芯片识别、定位和信息管理等功能，从而降低燃气安全事故发生的可能性。虽然对系统进行了一定的研究，但由于实验条件、人力物力等多方面的限制，对设计的系统只进行了简单的功能测试，还需要进一步的优化和完善。