智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵澤華，張 磊

（成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展和更迭，燃?xì)夤芾砗头?wù)模式在傳統(tǒng)計(jì)量和抄表的基本功能需求之外，還提出了燃?xì)獗砹髁勘O(jiān)控、溫度壓力報(bào)警監(jiān)控、階梯氣價(jià)、實(shí)時(shí)在線、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等擴(kuò)展需求，燃?xì)夤?、燃?xì)庥脩魧μ烊粴獾氖褂锰岢隽烁影踩?、更加公平、更加智慧的要求[1]。

1 技術(shù)背景

1.1 燃?xì)獗?/h3>

燃?xì)獗黼m然經(jīng)歷了機(jī)械膜式燃?xì)獗?、IC卡膜式燃?xì)獗?、遠(yuǎn)傳膜式燃?xì)獗?、遠(yuǎn)傳IC卡膜式燃?xì)獗?、GPRS膜式燃?xì)獗怼C卡智能燃?xì)獗?、物?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼燃夹g(shù)的更新迭代，但現(xiàn)有燃?xì)獗硪廊贿€存在無整體設(shè)計(jì)、計(jì)量不準(zhǔn)確、閥控不可靠、信息不安全、電池壽命短、接頭不可靠、遠(yuǎn)程傳輸距離短、表端智能化程度低等問題[2]。

1.2 燃?xì)獗砭C合管理技術(shù)

近年來，隨著短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)獗淼木C合管理技術(shù)越來越趨于智能化和遠(yuǎn)程化。目前在燃?xì)獗磉h(yuǎn)程管理技術(shù)的應(yīng)用中，使用較多的為NB-IoT技術(shù)、LoRa技術(shù)、GPRS技術(shù)，盡管現(xiàn)有燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程管理已基本上能夠滿足遠(yuǎn)程抄表的業(yè)務(wù)需求，但由于技術(shù)應(yīng)用的差異以及設(shè)計(jì)方案的缺失，目前燃?xì)獗淼木C合管理實(shí)施效果較差，主要體現(xiàn)在抄表成功率低、抗干擾能力差、通信穩(wěn)定性低、功耗大、信號弱、兼容性差、維護(hù)難度高等方面[3]。

1.3 智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)不僅涉及燃?xì)獗?、網(wǎng)關(guān)等感知控制終端和通信終端，同時(shí)它還涉及上層通信系統(tǒng)、管理平臺(tái)、用戶終端等。目前燃?xì)獗硇袠I(yè)缺乏對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)的研究，部分系統(tǒng)仍延用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，未充分理解系統(tǒng)各平臺(tái)間的信息傳遞關(guān)系和相互聯(lián)系，導(dǎo)致對智能燃?xì)獗淼墓芾砑軜?gòu)出現(xiàn)差異。制造商缺乏對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究，未將具體的行業(yè)需求和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致未能真正構(gòu)建一套完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用戶未能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正獲得安全、公平、智慧的用氣體驗(yàn)[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

通過集成物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云平臺(tái)等新興技術(shù)，結(jié)合燃?xì)獗碛?jì)量和遠(yuǎn)程管理的業(yè)務(wù)需求，作者及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了具有感知控制平臺(tái)、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、管理平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)和用戶平臺(tái)，集智能感知、智能管理、智能保護(hù)、信息安全管理、遠(yuǎn)程雙向無線通信、燃?xì)鈽I(yè)務(wù)管理、遠(yuǎn)程運(yùn)營維護(hù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、用戶服務(wù)等軟硬件系統(tǒng)和功能于一體的智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)[5]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 感知控制平臺(tái)

感知控制平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)燃?xì)饨灰孜锢砹俊⑷細(xì)鉅顟B(tài)物理量、表端自身狀態(tài)物理量的感知和控制功能的系統(tǒng)平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砀鶕?jù)預(yù)先設(shè)定的信息上報(bào)條件，可以將電池低電、電池掉電、強(qiáng)磁保護(hù)、余額不足、超時(shí)保護(hù)、過流保護(hù)、燃?xì)庑孤?、氣壓過低、故障感知等表端狀態(tài)向燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)上報(bào)，滿足燃?xì)膺\(yùn)營商對表端狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。

2.2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)集表端通信模塊、傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)為一體，能夠?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砗蛡鞲芯W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通信狀態(tài)進(jìn)行管理，支持并統(tǒng)一管理所有接入平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對接上層燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)的功能[6]。

2.2.3 管理平臺(tái)

管理平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗磉\(yùn)行體系的數(shù)據(jù)處理中心，通過與感知控制平臺(tái)的雙向通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)營維護(hù)管理、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程抄表管理、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程閥控管理、實(shí)時(shí)階梯氣價(jià)管理、表端狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息安全管理等綜合管理功能。

2.2.4 服務(wù)平臺(tái)

服務(wù)平臺(tái)包括燃?xì)夤痉?wù)平臺(tái)、政府服務(wù)平臺(tái)和社會(huì)運(yùn)營商服務(wù)平臺(tái)。通過燃?xì)夤痉?wù)平臺(tái)向燃?xì)庥脩籼峁└兄?wù)信息，接收燃?xì)庥脩舭l(fā)出的控制服務(wù)信息；通過政府服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)向企業(yè)、社會(huì)公眾提供政策法規(guī)、行業(yè)監(jiān)管、資源信息等；通過社會(huì)運(yùn)營商服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息資源開放共享，政府、企業(yè)、個(gè)人可以將想公開的信息投放到該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息共享[7]。

2.2.5 用戶平臺(tái)

用戶平臺(tái)集用戶終端、微信公眾號、小程序等軟硬件系統(tǒng)于一體，可實(shí)現(xiàn)燃?xì)庥脩魳I(yè)務(wù)信息自助查詢及辦理功能。

燃?xì)庥脩艨赏ㄟ^網(wǎng)上銀行、手機(jī)銀行、自助終端、支付寶等方式實(shí)現(xiàn)燃?xì)赓M(fèi)用網(wǎng)絡(luò)支付；通過手機(jī)、電腦、自助終端等用戶端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查詢；支持通過短信、微信、郵件等網(wǎng)絡(luò)通信方式向用戶發(fā)送提示信息；支持通過電話、電腦等網(wǎng)絡(luò)通信方式，將燃?xì)庑孤㈦姵仉妷哼^高或過低、磁干擾、充值提示、使用壽命到期、長期未使用等預(yù)警信息發(fā)送給燃?xì)庥脩簦ＷC用戶用氣安全。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

2.3.1 燃?xì)獗頇C(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)

燃?xì)獗淼臋C(jī)械計(jì)量數(shù)據(jù)需要通過機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電子計(jì)量信號，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸。在機(jī)電信號轉(zhuǎn)換過程中，可能存在機(jī)械計(jì)量數(shù)據(jù)無法采集、電子計(jì)量信號丟失、數(shù)據(jù)運(yùn)算錯(cuò)誤、信息無法存儲(chǔ)等情況。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)所采用的物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碓谠O(shè)計(jì)階段將機(jī)械計(jì)量單元和電子計(jì)量單元進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，匹配機(jī)械計(jì)量單元和電子計(jì)量單元參數(shù)，選用創(chuàng)新型雙干簧管設(shè)計(jì)，通過采用電子脈沖緩存技術(shù)和抗磁干擾計(jì)量技術(shù)將電子計(jì)數(shù)和機(jī)械計(jì)數(shù)的誤差控制在百萬分之一，優(yōu)于歐洲技術(shù)報(bào)告 CEN/TR16061：2010《智能燃?xì)獗怼分腥f分之二及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN16314：2013《燃?xì)獗砀郊友b置》中萬分之五的機(jī)電轉(zhuǎn)換誤差要求。

2.3.2 燃?xì)獗砜刂崎y技術(shù)

智能燃?xì)獗碜鳛槿細(xì)夤劫Q(mào)易計(jì)量和燃?xì)饩C合管理控制的計(jì)量器具，在保證使用安全方面與傳統(tǒng)燃?xì)獗淼囊笠恢?，同時(shí)由于增加了管理控制功能，使得智能燃?xì)獗硐啾葌鹘y(tǒng)燃?xì)獗碓黾恿税踩L(fēng)險(xiǎn)，相應(yīng)地對智能燃?xì)獗淼陌踩y控及其性能指標(biāo)提出了更高的要求[8]。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用的是作者及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的雙向無堵轉(zhuǎn)齒輪傳動(dòng)的燃?xì)獗韺Ｓ脵C(jī)電閥[9]。開關(guān)閥電流小于40 mA，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不超過500 mA的要求，解決了電池電量過低時(shí)無法關(guān)閥的問題；閥門耐用性超30 000次，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2 000次[10]。閥門泄漏率控制在20 mL/h以下，優(yōu)于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 161：2011+A3：2013《燃?xì)馊紵骱腿細(xì)庥镁哂米詣?dòng)截止閥（Automatic shut-off valves for gas burners and gas appliances）》規(guī)定的不超過40 mL/h、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS S 2151—1993《燃?xì)馄骶咦詣?dòng)截止閥》規(guī)定的不超過30 mL/h。

2.3.3 傳感網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，可滿足物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗睚嫶髷?shù)量終端連接后的業(yè)務(wù)處理需求；采用集群模式、異步處理、緩存技術(shù)解決高并發(fā)問題；采用分布式模式規(guī)避故障，增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性、可靠性；采用非對稱加密、簽名等技術(shù)手段，有效保障數(shù)據(jù)安全傳輸。

在系統(tǒng)運(yùn)維方面，傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)基于容器化的自動(dòng)編排、持續(xù)集成、自動(dòng)部署等技術(shù)，使系統(tǒng)具有易維護(hù)性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)管理采用代理模式，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端與傳感網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的通信特性（包括 NB-IoT、LoRa、LoRaWAN等），劃分為通信服務(wù)和前置通信服務(wù)。通信服務(wù)負(fù)責(zé)處理主站與產(chǎn)品間的交互邏輯和交互數(shù)據(jù)協(xié)議，前置通信服務(wù)封裝通信特性及通信服務(wù)與產(chǎn)品交互的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)通信技術(shù)兼容。

2.3.4 燃?xì)饩C合管理技術(shù)

管理平臺(tái)采用微服務(wù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫讀寫分離、緩存技術(shù)、反向代理技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了基于云技術(shù)的燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)集日常燃?xì)鈽I(yè)務(wù)受理、客戶檔案、抄表計(jì)量、表具管理、收費(fèi)、財(cái)務(wù)、安檢、報(bào)裝改造、維修、呼叫支持、統(tǒng)計(jì)分析等功能于一體，對燃?xì)膺\(yùn)營商的客戶服務(wù)部門業(yè)務(wù)進(jìn)行全面管理。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在作者及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有國際領(lǐng)先產(chǎn)品“物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砑捌溥\(yùn)行體系”的基礎(chǔ)上，對感知控制平臺(tái)中物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗?、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中無線通信模塊和傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)、用戶平臺(tái)中各軟硬件產(chǎn)品的方案優(yōu)化和技術(shù)升級，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1 運(yùn)行體系架構(gòu)創(chuàng)新性

基于物聯(lián)網(wǎng)三體系理論，創(chuàng)新性提出了智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息體系、物理體系以及功能體系組成，被運(yùn)用于智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目的研發(fā)和運(yùn)營。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)清晰展現(xiàn)了燃?xì)庥脩簟⑷細(xì)夤疽约拔锫?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣咧g的關(guān)系，體現(xiàn)了公用服務(wù)事業(yè)為民服務(wù)的宗旨。通過清晰界定信息、物理實(shí)體以及功能之間的關(guān)系，使原本混亂的燃?xì)夤芾砉ぷ髯兊们逦行颉?/p>

3.2 獨(dú)立的管理平臺(tái)

在智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)獨(dú)立行使統(tǒng)籌管理職能，分別以服務(wù)平臺(tái)和傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為橋梁與燃?xì)庥脩艉臀锫?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗ㄐ?，將傳感通信及服?wù)通信功能與管理平臺(tái)的管理職能分離，做出清晰界定，可使管理平臺(tái)專注于燃?xì)膺\(yùn)營管理，職能更加明確，運(yùn)行更加高效。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)始終以用戶需求為導(dǎo)向，業(yè)務(wù)場景和功能設(shè)計(jì)更加貼合用戶的使用習(xí)慣；在技術(shù)上，管理平臺(tái)基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，涉及的管理或服務(wù)項(xiàng)目均獨(dú)立部署，燃?xì)夤纠霉芾砥脚_(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)功能強(qiáng)大、權(quán)限清晰的燃?xì)饩C合管理能力，包括用戶管理、服務(wù)管理、傳感網(wǎng)絡(luò)管理、對象管理、綜合管理等。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的管理平臺(tái)可整合第三方燃?xì)獗韽S家的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，“一體化”管理所有燃?xì)馕锫?lián)網(wǎng)對象層設(shè)備（如燃?xì)獗怼⒄{(diào)壓箱、流量計(jì)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）和用戶層燃?xì)饨K端用戶數(shù)據(jù)信息（如用戶檔案、賬號、氣價(jià)方案、用氣數(shù)據(jù)、充值繳費(fèi)等）。燃?xì)膺\(yùn)營公司使用該產(chǎn)品兼容并管理其他所有表廠的燃?xì)馕锫?lián)網(wǎng)對象層設(shè)備，覆蓋燃?xì)夤窘K端用戶的所有燃?xì)鈽I(yè)務(wù)，作為“統(tǒng)一燃?xì)鈽I(yè)務(wù)管理平臺(tái)”軟件系統(tǒng)提供給燃?xì)夤臼褂谩?/p>

3.3 物聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)結(jié)合方式的創(chuàng)新性

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過與云平臺(tái)連接為其提供云計(jì)算支持。智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)與云平臺(tái)的連接方式為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，燃?xì)鈹?shù)據(jù)在傳輸給云平臺(tái)之前會(huì)在管理平臺(tái)中進(jìn)行處理，如認(rèn)證、標(biāo)記等，然后再傳輸給云平臺(tái)進(jìn)行云計(jì)算。事實(shí)上，云平臺(tái)處理后的燃?xì)鈹?shù)據(jù)短暫脫離了燃?xì)夤竟芾砥脚_(tái)的管理邊界，不能完全保證燃?xì)鈹?shù)據(jù)的合法性，需要由云平臺(tái)將處理后的燃?xì)鈹?shù)據(jù)傳輸回管理平臺(tái)，由管理平臺(tái)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)后，通過服務(wù)平臺(tái)傳輸給燃?xì)庥脩?，?shí)現(xiàn)燃?xì)夥?wù)。這種方式在降低設(shè)備運(yùn)維管理需求的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)對燃?xì)鈹?shù)據(jù)的最終掌控，保證燃?xì)鈹?shù)據(jù)合規(guī)合法。

從信息技術(shù)的發(fā)展路徑來看，得益于云計(jì)算的性能優(yōu)勢，以云計(jì)算為核心的云平臺(tái)將成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)的結(jié)合將從資源共享、業(yè)務(wù)快速部署、信息價(jià)值深度挖掘等方面帶動(dòng)燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)快速升級。

4 結(jié) 語

隨著國家政策以及燃?xì)膺\(yùn)營商對智能燃?xì)獗斫K端實(shí)時(shí)信息采集與控制等產(chǎn)品與服務(wù)需求的共同推動(dòng)，燃?xì)庑袠I(yè)的智慧化升級必然是下一步的發(fā)展方向。

智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)將應(yīng)用在智慧城市的公共服務(wù)管理中，包括燃?xì)夤具h(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程收費(fèi)、遠(yuǎn)程安檢、遠(yuǎn)程閥控、遠(yuǎn)程調(diào)價(jià)、設(shè)備監(jiān)管、信息安全管理等業(yè)務(wù)場景，以及燃?xì)庥脩纛A(yù)付費(fèi)、遠(yuǎn)程充值、燃?xì)赓Y源信息推送、個(gè)人隱私安全保護(hù)等場景，真正實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程化和智慧化管理，為廣大民用和商用消費(fèi)者提供更安全、更公平和更智慧的用氣服務(wù)。