基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)忾y門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

袁新顏，顧玲玲，金 龍

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011）

0 引 言

燃?xì)庾鳛檗r(nóng)村、城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在提高人民生活質(zhì)量、改善自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。但是，隨著燃?xì)庑袠I(yè)的快速發(fā)展，燃?xì)夤芾矸矫娲嬖诘膯栴}和弊端已逐漸凸顯，嚴(yán)重危害公共利益和公共安全。當(dāng)燃?xì)赓|(zhì)量較差時(shí)，很容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全事故。目前，有些地區(qū)存在瓶裝燃?xì)馐袌?chǎng)經(jīng)營(yíng)混亂、違章操作等問題，比如：非法倒氣現(xiàn)象、向燃?xì)怃撈績(jī)?nèi)壓縮空氣現(xiàn)象、使用報(bào)廢或不合格燃?xì)怃撈?、鋼瓶容易丟失現(xiàn)象等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效解決這些問題。作為繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新之一，物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感器、射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管和管理。

通過使用RFID無線射頻、GPS定位、WiFi無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，將燃?xì)忾y門和燃?xì)怃撈?、燃?xì)獬錃鈽屵M(jìn)行遠(yuǎn)程跟蹤管理，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)管，降低發(fā)生燃?xì)獍踩鹿实目赡苄浴?/p>

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)忾y門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括燃?xì)忾y門及帶定位功能的燃?xì)怃撈靠刂葡到y(tǒng)、燃?xì)獬錃鈽尶刂葡到y(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在燃?xì)怃撈可习惭b貼有RFID標(biāo)簽的燃?xì)忾y門，燃?xì)忾y門和燃?xì)怃撈拷M合在一起，具備定位功能。燃?xì)怃撈客ㄟ^燃?xì)獬錃鈽尦錃鈺r(shí)，通過充氣槍上的讀寫器模塊讀取判斷燃?xì)忾y門上的標(biāo)簽信息是否與系統(tǒng)中存留的信息匹配，如果信息匹配，則打開燃?xì)獬錃鈽屵M(jìn)行充氣，否則無法正常充氣。而普通用戶無法私自打開燃?xì)怃撈块y門，從而可以防止未合規(guī)鋼瓶的使用以及不法商販私自倒氣等違法行為。在使用燃?xì)鈽尦錃鈺r(shí)，控制系統(tǒng)的讀寫器讀取鋼瓶標(biāo)簽信息，通過WiFi無線通信技術(shù)將燃?xì)怃撈肯嚓P(guān)信息傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，鋼瓶充氣次數(shù)等數(shù)據(jù)信息通過讀寫器同時(shí)寫入電子標(biāo)簽中。每個(gè)燃?xì)怃撈可习惭bGPS定位系統(tǒng)，采用GPRS傳輸方式將鋼瓶位置信息上傳至服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)怃撈课恢酶櫦皵?shù)據(jù)分析。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括燃?xì)忾y門控制系統(tǒng)、帶定位功能的燃?xì)怃撈考叭細(xì)獬錃鈽尶刂葡到y(tǒng)兩個(gè)部分，一個(gè)燃?xì)忾y門對(duì)應(yīng)一個(gè)燃?xì)怃撈?，可以認(rèn)為閥門和鋼瓶是一個(gè)整體。

2.1 燃?xì)忾y門、燃?xì)怃撈靠刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以STM32G4的MCU作為控制器，使用UBX-M8030-KT GPS模塊采集燃?xì)怃撈康奈恢眯畔?，使用GPRS通信方式通過SIM800C模塊將采集到的燃?xì)怃撈啃畔鬏數(shù)皆贫朔?wù)器中。STM32G4基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，支持FPU和DSP指令集，主頻高達(dá)170 MHz，允許外圍設(shè)備之間的自主通信進(jìn)一步解放CPU資源，完全滿足本部分控制系統(tǒng)的需求。GPRS模塊實(shí)現(xiàn)燃?xì)怃撈慷ㄎ恍畔⒌膫鬏?，它是燃?xì)忾y門和燃?xì)怃撈靠刂葡到y(tǒng)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(jià)比高、性能穩(wěn)定可靠，通過串口與單片機(jī)通信。

GPS模塊主要作用是獲取世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）以及所在位置的定位數(shù)據(jù)等信息。本文中燃?xì)怃撈课恢糜山?jīng)度、緯度坐標(biāo)系統(tǒng)識(shí)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(diǎn)，非常適合于移動(dòng)定位系統(tǒng)的使用。定位模塊通過串口收發(fā)信息保持與控制系統(tǒng)的通信，控制系統(tǒng)及時(shí)對(duì)位置信息進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，最后傳送到云端服務(wù)器。

2.2 燃?xì)獬錃鈽尶刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了識(shí)別燃?xì)獬錃鈽尩男酒R(shí)別功能，也是以STM32G4的MCU作為控制器，采用RC522射頻模塊讀寫燃?xì)忾y門標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，以WiFi無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器上。選擇NXP公司的MFRC522模塊作為RFID模塊，通過SPI協(xié)議接口正確控制燃?xì)忾y門的打開和關(guān)閉?？刂破魍ㄟ^串口與ESP8266 WiFi 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將電子標(biāo)簽內(nèi)容傳輸?shù)椒?wù)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括智能燃?xì)忾y門及燃?xì)怃撈靠刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、智能燃?xì)獬錃鈽尶刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及服務(wù)器端的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)軟件開發(fā)工具采用Keil μVision5，以C語言為編程語言。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 作為開發(fā)環(huán)境，以 C#語言為編程語言，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008。

3.1 燃?xì)忾y門及燃?xì)怃撈靠刂栖浖到y(tǒng)設(shè)計(jì)

燃?xì)忾y門及燃?xì)怃撈恐饕蝿?wù)是實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)與GPS模塊、GPRS通信模塊之間通信，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)怃撈康亩ㄎ还δ堋．?dāng)STM32G4控制節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，其中串口與GPRS模塊和GPS模塊進(jìn)行通信，定時(shí)器用于判斷所接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整性。在串口中斷程序執(zhí)行數(shù)據(jù)的接收操作，如果程序出現(xiàn)異常情況，能自動(dòng)復(fù)位程序，并初始化GPRS通信模塊和GPS定位模塊。當(dāng)全部模塊初始化成功后，則進(jìn)入 while（）循環(huán)，判斷是否獲取定位信息，然后通過GPRS通信模塊發(fā)送定位數(shù)據(jù)。燃?xì)忾y門與鋼瓶控制軟件流程如圖2所示。

圖2 燃?xì)忾y門與鋼瓶控制軟件流程

3.2 燃?xì)獬錃鈽尶刂栖浖到y(tǒng)設(shè)計(jì)

燃?xì)獬錃鈽屩饕蝿?wù)是實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)與RFID模塊、WiFi通信模塊之間通信，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獬錃庖约矮@取或更新燃?xì)忾y門標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，達(dá)到鋼瓶在合規(guī)充氣站充氣的目的，防止不合格鋼瓶流入市場(chǎng)，加強(qiáng)了瓶裝燃?xì)馐袌?chǎng)監(jiān)管工作。當(dāng)STM32G4控制節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)初始化串口、外設(shè)接口、定時(shí)器等。其中串口外設(shè)接口SPI與RC522模塊通信，串口與WiFi模塊通信。當(dāng)所有模塊都初始化成功后，進(jìn)入while（）循環(huán)，控制器讀取燃?xì)忾y門標(biāo)簽信息與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的序列號(hào)進(jìn)行比對(duì)，匹配成功后導(dǎo)通電磁鐵電路，所產(chǎn)生的磁力會(huì)克服閥門阻力打開閥門進(jìn)行充氣。燃?xì)怃撈块y門IC卡標(biāo)簽中的充裝數(shù)據(jù)被讀取后通過WiFi模塊上傳到服務(wù)器，充氣信息會(huì)更新到IC卡。軟件流程如圖3所示。

圖3 燃?xì)鈽屲浖鞒?/p>

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程服務(wù)器端的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)燃?xì)怃撈砍溲b信息的監(jiān)管、燃?xì)怃撈慷ㄎ?、路徑?guī)劃推薦等功能，便于動(dòng)態(tài)管理。本監(jiān)控系統(tǒng)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(gè)功能模塊。

鋼瓶信息管理模塊在輸入鋼瓶編號(hào)后可以顯示鋼瓶所在位置的經(jīng)度和緯度、鋼瓶充裝燃?xì)獯螖?shù)、充裝人員姓名、每次充裝時(shí)間和充裝地點(diǎn)信息。鋼瓶路徑跟蹤模塊在輸入待跟蹤鋼瓶的編號(hào)以及跟蹤點(diǎn)的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)后，加載電子地圖數(shù)據(jù)信息便可以生成對(duì)應(yīng)最短路徑，并顯示電子地圖。

電子地圖是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)以數(shù)字方式來儲(chǔ)存空間信息和屬性信息的圖像，具有很強(qiáng)的可視化特性。本系統(tǒng)使用Map Info 軟件來制作電子地圖，以本市某區(qū)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(jīng)緯度數(shù)據(jù)和各路段長(zhǎng)度及連接情況等路段信息。使用Map Info創(chuàng)建點(diǎn)，根據(jù)各路段連接情況連接各個(gè)點(diǎn)，并注明路段信息。Map Info讀取這些數(shù)據(jù)信息點(diǎn)圖層和線圖層，通過疊加這兩個(gè)圖層生成電子地圖。使用Dijkstra算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過Map Basic 語言實(shí)現(xiàn)Dijkstra 算法仿真，計(jì)算起點(diǎn)到指定終點(diǎn)的最短路徑及搜索時(shí)間，以藍(lán)色標(biāo)記最短路徑，方便在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中顯示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)忾y門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)防充、芯片識(shí)別、定位和信息管理等功能，從而降低燃?xì)獍踩鹿拾l(fā)生的可能性。雖然對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，但由于實(shí)驗(yàn)條件、人力物力等多方面的限制，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的功能測(cè)試，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。