物联网智能燃气系统在城镇工程中的应用

何 颖

（重庆燃气集团股份有限公司九龙坡分公司，重庆 400037）

在科学技术的加持下，现阶段各种能源的利用效率提升，利用方式也越来越丰富，极大的便捷着人们的生活。燃气作为如今比较普及的一种能源类型，已经融入大众的日常生活中，成为生产生活一种重要的能源供应类型。而随着生态节约型社会的不断呼吁和构建，人们对于燃气使用的安全性及利用效率提出了更高的要求，如希望能够实现燃气充值的远程办理及燃气的智能化使用，这是当下群众对于燃气使用最为迫切的需求。此种背景下，燃气公司理应不断与时俱进，进一步对现有的燃气管理系统进行优化和升级，满足人们更高安全性和更高利用率、更加便捷使用方式的需求，实现燃气管理与燃气使用的智能化、信息化和便捷化，为群众提供更加优质的燃气服务

1 物联网智能燃气系统概述

物联网智能燃气系统是借助物联网技术，将燃气表、家用燃气管理终端、各种燃气设备及燃气使用人员等连接在一块，实现动态管理并借此提供各种信息化服务的一种智能燃气系统。相比较传统的燃气系统，智能燃气系统更加高效便捷，更符合现代社会的生产生活需要，能够实现远程抄读用气数据、远程控制阀门、远程调整气价、远程预付费、远程自动上报故障等功能，解决了以往燃气使用计费不便、收费困难、政策传达效率低等困难，以及因为不能实时获取用户数据叠加燃气价格波动而导致的燃气公司经济损失的问题，有利于进一步推动燃气公司的发展。通常情况下，物联网智能燃气系统主要有管理监控软件、NBioT 无线远传燃气表组成，该燃气表具有刚性优良、耐压性强、耐腐蚀的特点，参数符合欧洲标准，密封性好，质量稳定，因此得以在物联网系统中被广泛应用。从类别上而言，物联网智能燃气系统主要分为有线集抄燃气系统、无线集抄燃气系统、IC 卡智能燃气系统和基于GPRS 和CDMA 的智能燃气系统，本文主要研究基于GPRS 和CDMA 的智能燃气系统。

2 城镇工程中现有燃气系统的不足

2.1 铺设成本高且稳定性不足

有线集抄燃气系统是燃气公司传统的燃气系统，通过铺设线路实现与燃气用户之间的物理连接。该系统有一个明显的缺点，便是前期需要大量费用，用以进行线路的搭建，同时后期在使用的过程中还存在维修困难、运营负担较大及稳定性不强等问题，加剧了燃气公司的成本负担。尤其是在物联网技术飞速发展的现在，传统的燃气系统已然难以满足燃气用户的需求。目前仍在沿用的有线集抄燃气系统，大多是因为成本回收仍未完成而在使用，一旦出现问题，维修缓慢、人力成本较高等问题将进一步凸显，影响用户天然气的使用。

2.2 故障排查难度高

无线集抄燃气系统目前在城镇工程中比较普遍，虽该系统优于传统燃气铺设及有线集抄燃气系统，但是在实际使用的过程中，无线集抄燃气系统应用过程中对于内部锂电的使用很重要，必须及时进行更换，而用户在使用的过程中，往往会忘了更换锂电池，导致燃气运营商在某一时间节点会收到大量的故障报修电话，实际上只需要更换电池便可以解决问题，无端浪费了大量的维修资源和时间；而在服务过程中，也容易产生沟通问题，有时会影响使用效果和用户的服务体验。此外，由于无线的原因，或多或少存在不稳定的因素，导致影响燃气系统稳定性的因素有很多，排查难度很大，并且产生的维修费用较高。

2.3 信息更新的滞后性

在物联网技术不断发展的过程中，IC 卡智能燃气系统在城镇工程中一度成为比较流行的燃气系统，便捷了用户的燃气使用方式，并且随着物联网技术的不断发展，IC 卡智能燃气系统的功能也在不断丰富，具有金额预警、余量预警、安全停气、燃气使用数据采集及过流报警等多重功能。但是不可否认的是，IC卡智能燃气系统具有调价滞后、保密性较低及动态管理实时性较低等问题，诸如燃气表损坏、偷气等问题较难在第一时间解决，留下了一定的安全和使用隐患。

3 基于GPRS和CDMA的智能燃气系统在城镇工程中的应用

3.1 基于GPRS和CDMA的智能燃气系统介绍

在智能燃气系统中，有线集抄燃气系统是指燃气公司通过与燃气用户之间铺设线路，从而建立与燃气用户之间的物理连接；无线集抄燃气系统是使用无线网络代替“有线”的功能，通过网络信号的发送与接收来实现各种功能；IC 卡智能燃气系统主要通过燃气表和IC 卡的方式实现用户与管理端的连接，具有燃气抄表简单、准确度高及充值使用等优势。

随着时代的发展，上述三种智能燃气系统的弊端越发凸显，难以满足群众对于便捷燃气使用的需求和要求，基于此，出现了基于GPRS 和CDMA 的智能燃气系统，该系统是基于物联网的智能燃气系统，与无线集抄燃气系统类似，同样是通过无线网络来保障各种燃气管理和燃气服务功能的实现。与无线集抄燃气系统不同的是，基于物联网的智能燃气系统的技术支撑在于GPRS 和CDMA，通过全球定位系统及码分多址通信系统，基于物联网的智能燃气系统能够实现无线集抄燃气系统的所有功能，并且数据传输更加稳定，还能够通过远程控制实现故障检修及发布预警信息等，服务更加稳定，是未来燃气公司在城镇工程中的主要应用方向。另外，物联网智能燃气系统还可以连接用户们的手机APP，实现远程的实时控制功能，接收相应的数据信息。该智能燃气系统对于稳定移动基站的服务平台信号具有很大的好处，并且还能降低后期的维护成本。该系统主要通过点对点的传输方式，提高数据传输的效率及资费统计的准确性，并且保密性较强。

3.2 具体应用

3.2.1 系统分析与架构

本次在城镇工程中应用的燃气系统要求能够实现终端数据的收集与分析、远程数据的读取及安全控制等功能。基于此，本次所设计的物联网智能燃气系统工作流程为：第一，利用网络通信技术，将终端设备序列号与用户手机进行关联，手机连接入网后即为在线状态；第二，上位机通过信号控制将控制指令送达到终端设备，终端设备进行响应并将反馈执行结果报送至上位机，完成操作；第三，终端设备可以将自身设备状态的变化主动告知上位机和使用者，上位机和使用者能够采取相应的处理措施。如某一用户长期未使用燃气设备，燃气终端将这一状态主动报送给上位机，上位机下达关闭燃气表阀门的指令，终端设备接收到指令后关闭阀门并将关闭状态反馈至上位机，完成整个控制流程。

3.2.2 硬件设计

本设计的硬件部分采用PCB 即印制电路板制作，PCB 可以实现电路中各个元器件的电气连接，代替复杂的布线，同时PCB 板的设计是电路设计的最后一个环节，也是对原理电路的再设计。该燃气系统的硬件组成主要包括MCU 及通信模块、电源、阀门控制器、液晶显示器及泄漏报警器等，具有计量计费、阀门控制、液晶显示、缴费充值及泄漏报警等功能。其中，MCU 主要采用PIC24FJ128GA306单片机作为主控制芯片，采用64引脚封装形式，该单片机具有高性能、低功耗的特点，可以储存数据达20 a 以上，还可以提供直接寻址等多种模式，并可以对C 语言等计算机高级语言进行优化，有助于系统的进一步开发与设计；通信模块主要使用M6310模块，该模块属于工业级硬件，能够支持GPRS 数传及GSM 短信业务，是实现终端设备与上位机的桥梁，也是本物联网智能燃气系统的核心；电源主要由系统电源和GSM模块电源组成，电源供应主要来源于四节干电池，经设备转换成5 V，给设备内的各种电路供电；阀门控制器主要是用阀控芯片SPX3010进行逻辑控制，控制原理为高低电，当电路内电流为高电平时，阀门打开，当电路内电流为低电平时，阀门关闭；液晶显示器主要采用液晶片作为主要硬件设备，利用单片机内部的LCD 驱动直接与液晶片连接，电压梯形电阻也利用CPU 内部梯形电阻电路，以降低功耗；泄漏报警器主要使用外置报警器，当空气中的燃气达到一定浓度时，外置报警器的气敏传感器阻值变小，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为低电平，MCU 中断处理机制收到低电平报警信号后，立即切断阀门，并上传气体泄漏状态至上位机，通知运维人员及时进行处理。

3.2.3 软件设计

软件设计主要包括上位机软件设计和下位机软件设计两个部分。其中上位机软件设计主要采用Visual Basic6.0搭配Microsoft SQL Server 数据库作为软件技术支撑。具体的软件工作流程设计为：上位机与网管连接，连接成功后根据实时状态检测决定是否采取相应的管理行为，当确定采取管理行为后，向终端设备发送相关指令，如充值、阀门控制等指令，终端设备接收到指令后执行相应操作，并通过网关将执行动作情况及结果反馈给上位机，上位机对反馈回来的数据进行分析和处理。

下位机软件系统是一个微观的实时操作系统，采取顺序执行机制，以确保下位机系统能够对于气体泄漏及阀门控制两个功能保持高灵敏度和响应度。下位机的工作流程为：首先进行系统初始化，包括CPU、LCD、M6310等硬件的初始化，并进行电池电压监测，确保电池能够正常使用；其次设置信息接收码，确保终端设备与上位机和用户之间的网络连接正常，之后系统进入主循环，主循环可处理的事件包括阀门控制、计量计费、泄漏报警、数据分析等；最后采取中断措施，即在主循环工作的过程中出现异常情况，如燃气泄漏或费用不足等依靠安全控制软件设计，进行电平中断或UART 口中断，保障燃气使用安全或提醒用户缴费。

3.3 应用效果

在通过系统设计后，在具体应用之前对该智能燃气系统进行测试。测试的过程中发现，该系统的计量计费功能较为准确，满足预期要求，具有较高的精准度，不仅提高了天然气计量计费的工作效率，将人力从传统的计量计费工作中解放出来，还能给用户查询用量费用带来了便利，实现了双向便捷；该设备的远程通信控制良好，从指令发出到指令接收、完成指令并反馈信息，整个通信过程用时平均约为15s，满足日常燃气管理需求，其中常见的阀门控制指令和充值缴费指令通信时长分别为16s 和13s，能够满足当事件发生时，及时止损，避免危害和损失的进一步扩大，安全系数得以提升。基于上述测试结果可知，在城镇工程中应用该智能燃气系统能够满足用户的使用需求，也能够进一步提高燃气公司对于燃气设备的管理效率，提升燃气服务水平，因此可以在技术进一步成熟并得到确认之后，进行普及和推广。

4 结束语

随着未来城市化进程的不断加快，以及人们对于生活质量要求的提高，燃气作为一种日常生产生活常见的能源类型，人们对于燃气使用及相应的服务要求将越来越高，对于使用燃气过程中的安全保障功能也会越来越重视，这给燃气公司提高燃气使用管理能力提出了更大的考验。因此，燃气公司应该结合时代发展趋势，在互联网技术及物联网技术的不断发展下，更新和创新燃气管理系统，加强物联网技术的应用，从而不断提高燃气管理效率和水平，在实现高水准燃气服务的同时，降低成本，做到能源供应的资源优化配置，推动实现燃气能源行业的绿色发展，践行可持续的发展理念。而目前在众多的互联网技术中，物联网作为一种与燃气行业契合度较高的技术，通过在燃气使用和管理的过程中引入物联网，建设基于GPRS和CDMA 的智能燃气系统，是实现上述目标的可行之道。