移动摊贩煤气瓶智能监测系统设计_赵晶晶.pdf

34|电子制作 2023 年 1 月智能应用燃气是我们日常生活中必不可少的生活资源，它的安全还关系着我们的生命和财产安全。虽然现在家庭中普遍使用天然气，但是在当前很多城市的放心早餐摊、晚上的夜市大排档等场合，煤气瓶仍是一种主要的经营设施，它们的安全管理非常的重要，因为一旦发生事故，影响会非常大，但是，目前我们对煤气瓶的使用管理还处于一种离散状态，缺少一种集中有效的、能实时监测的管理手段，因此城市管理部门无法及时了解这些煤气瓶的使用状态，这就会带来不少的安全隐患，所以，如果能对煤气瓶的使用和定位情况进行监测，及时了解煤气瓶的行踪和状态，这样就能更好地让城市管理部门来对其监管，减少安全隐患的发生。1 煤气瓶安全管理的研究现状文献1采用 B/S 结构进行动态监测，让使用者随时的进行在线查询、对相关数据进行浏览，但是该系统没有进行硬件方面的设计，无法对城市范围内的煤气瓶进行绑定，所以没法定位和跟踪其使用的状况。文献2采用条码技术对煤气瓶进行标识，制定了 JPM 码编码规则，在此基础上设计并实现了 JPM 码编码系统；但该软件仅限于标识煤气瓶，无法预测煤气瓶的环境信息以及数据上报。文献3根据煤气瓶安全管理存在的问题，对煤气瓶监测终端进行了需求分析，提出了煤气瓶监测终端的硬件设计方案。但是并没有给出具体的实施方案，在器件选型和软件设计需要进一步优化。本文采用低功耗 NB-IOT 技术，在煤气瓶上附加硬件装置，通过内置的振动、GPS等传感器获取煤气瓶使用的状态，同时监测装置的电池余量，并将采集的数据上报至云端，用户的前端采用 Spring Boot 框架进行设计。城市监管部门可以通过本系统，实现对城市小摊贩的煤气瓶使用状况的实施监管，及时消除安全隐患，提高城市安全管理水平。2 系统体系架构设计本系统的整体架构设计如图 1 所示，包括物联网终端设备、物联网接入与 IOT 联接管理平台、业务数据处理中间件、WEB 前端应用等四个部分。（1）物联网终端设备：是物联网体系架构的基础，主要负责信息的收集和获取，在感知层，通过传感器可以感知物体周围环境的信息。煤气瓶监测系统通过一系列传感器，采集煤气瓶的温度、位置、振动等信息，当遇到高温或煤气泄露时，该系统进行警报。（2）物联网接入与 IOT 联接管理平台：通过 NB-IOT模组，将感知层的采集到的数据发送到物联网云平台，同时将物联网云平台下发的命令发送至业务层。在本系统中主要是指信号基站和 IOT 物联网开发平台，当 NB-IoT 模组接收到 AT 指令后，将数据封装为 CoAP 协议的消息并发送给物联网平台，物联网平台接收数据后，自动解析 CoAP 协议包，将数据存于平台之上。由物联网云平台对煤气瓶状态信息进行分析，对煤气瓶进行监测。（3）业务数据处理中间件：主要包含了对煤气瓶的设备管理、数据检测等业务逻辑，可以根据编号进行指定查询煤气瓶的详细信息。该层处理来自感知层的数据，展示给前端用户；调用业务逻辑层中的方法处理来自前端的控制命令。（4）WEB 前端应用：前端主要是与用户进行交互，该层将感知层的数据以一个友好的方式展示给用户，其主要功能是呈现用户向服务器请求的 Web 资源，显示在浏览器窗口中，用户可以通过客户端进行查看煤气的实时状态。系统整体架构设计如图 1 所示。3 系统硬件装置设计 煤气瓶监测系统硬件总体架构如图 2 所示。3.1 感知层设备选型本系统采用型号为 STM32F103ZET6 的单片机，基于ARMv7-M 体系结构的 32 位标准 RISC 处理器，工作频率为 72MHz，具有高性能、低功耗的特点。STM32F103ZET6的 GPIO 有 8 种模式，其中包含上拉、下拉输入模式。能够移动摊贩煤气瓶智能监测系统设计赵晶晶，谭方勇（苏州市职业大学，江苏苏州，215104）基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202011054011Y），江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题（项目编号：D/2021/03/39）。摘要：针对在城市安全管理中移动小摊贩的煤气瓶使用过程中存在监管缺失的问题，提出了一种基于NB-IoT煤气瓶移动智能监测系统。其硬件装置采用振动、GPS定位等传感器感知煤气瓶的搬动位移以及电池余量情况并通过NB-IOT模组将信息上报云端；软件通过Spring Boot技术将数据转换为JSON交换格式进行数据下发。城市监管部门可以通过移动终端实时查看煤气瓶定位信息，从而实现对移动摊贩煤气瓶使用的安全监管，提升城市安全管理能力。关键词：NB-IOT；煤气瓶；智能监测；Spring Boot框架；城市管理DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.024wwwele169com|35智能应用支持 USB、UART/USART 等通讯协议，其外围设备包括温度传感器、DMA、PWM 等 80 个可设置的 GPIO，故此处理器可满足系统的设计需求。IOT物联网平台NB-IOT基站NB-IOT模组数据接口层接口层（API层）关系型数据库业务逻辑层web客服端振动传感器GPS压力传感器 图 1 煤气瓶移动监测系统体系架构 温度传感器主控芯片振动传感器I/OI/OUART锂电池UARTGPS定位模块NB-IOT无线传输模块I/O压力传感器ADCADC电源模块图 2 煤气瓶监测系统硬件总体架构 3.2 终端模块该模块主要获取煤气瓶的移动状态数据，并通过 NB-IoT 通信模组上报云平台。其终端模块主要分为三个部分:采集模块、通信模块、主控模块。（1）采集模块由压力传感器、温度传感器、振动传感器组成，采集煤气瓶的电池电压、温度、一氧化碳浓度、位置等信息，采集模块受主控模块控制，并将这些数据传输给主控模块。（2）通信模块受主控模块控制，采集模块的数据需要通过通信模块汇聚到网络层，进而通过云平台对设备进行远程管控。（3）主控模块实现对采集模块和通信模块的管理和控制，并且处理采集模块和通信模块的数据。4 系统软件功能设计 4.1 中间件设计 中间件在本系统中主要是指信号基站和中国电信物联网云平台，该层主要是上报设备层采集的数据，或者下发业务层的控制命令，不同的接口通过中间件仍能交换信息，保证了数据传输的安全性、设备的可扩展性和快速开发。煤气瓶监测终端要接入中国电信物联网云平台，需要按以下步骤操作:(1)注册、登录中国电信物联网云平台后，创建NB-IoT应用。(2)在建立的应用中开发 Profile 产品。Profile 是一种格式文件，用来说明设备所具有的功能与特性，云平台通过Profile 理解设备的服务、属性、命令等信息。(3)开发编解码插件。云平台的数据格式采用 JSON 格式，物联网云平台和 NB-IoT 设备通信采用 CoAP 协议通信，应用层的数据处理一般采用十六进制，因此编解码插件供物联网平台调用,以实现十六进制与 JSON 格式的相互转换。(4)部署成功后，注册设备获得唯一标识 deviceID，通过 NB 无线模块联网接入平台。(5)终端设备的数据上报，在云平台处保存并显示数据。(6)云平台进行命令下发操作，在串口中接收到十六进制数据。4.2 应用层业务逻辑设计应用层分为三层架构，数据接口层、业务逻辑层、接口层(API 层)。数据接口层：该层负责业务实体对象的数据处理，如煤气设备的增加状态、删除设备、修改信息、查询信息等。业务逻辑层：该层主要有两大职责，一是定义业务实体；二是业务逻辑的具体实现。本系统主要对煤气瓶设备管理、数据监测等业务逻辑。接口层(API 层)：该层用来对接前端，为前端提供业务处理接口，将煤气瓶的数据实时交互与更新，并通过前端展36|电子制作 2023 年 1 月智能应用示在页面上。业务逻辑流程如图 3所示。5 系统核心功能的设计与开发本系统使用的是常闭式振动传感器，煤气瓶静止时属于低电平，振动时低电平与高电平来回切换，获取振动信息，GPS 模块接收位置信息传送给终端进行处理，实时监测煤气瓶位置发生变化，并显示位置信息，代码如下：void Shake_Init()/配置振动传感器 GPIO_InitTypeDef Shake_GPIO_Init;/定义结构 RCC_APB2Periph ClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);/使能时钟打开 Shake_GPIO_Init.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD;/配置 GPIOA 结构体内容void Relay_Init(void)/配置继电器 GPIO_InitTypeDef Relay_init;/初始化继电器 GPIO_Init(GPIOA,&Relay_init);int main(void)if(SkyTra_Cfg_Rate(5)!=0)/信息更新速度为 5Hz while(1)/通过读取传感器的电平的高低，去判断并控制 gps if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1=0)/低电平，开 gps GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);/开 gps if(USART3_RX_STA&0X8000)/接收到一次数据了 for(i=0;irxlen;i+)USART1_TX_BUFi=USART3_RX_BUFi;USART3_RX_STA=0;/启动下一次接收 Gps_Msg_Show();/显示信息 If(upload)printf(USART1_TX_BUF);/发送接收到数据串口 1 GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);else GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);/关gps 获取 GPS 定位信息代码如下：void Gps_Msg_Show(void)/获取 GPS 定位信息 tp=gpsx.longitude;LCD_ShowString(30,140,200,16,16,dtbuf);/得到相关字符串 if(gpsx.fixmode=3)/获取定位的状态 sprintf(char*)dtbuf,Fix Mode:%s,fixmode_tblgpsx.fixmode);LCD_ShowString(30,200,200,16,16,dtbuf);,gpsx.utc.hour,gpsx.utc.min,gpsx.utc.sec);/显示 UTC 时间 LCD_ShowString(30,300,200,16,16,dtbuf);本系统主要围绕NB-IoT技术实现了煤气瓶监测的功能，利用 Spring Boot 框架进行界面设计，所监测的数据通过在web 端登陆系统之后进行查看管理，本系统功能如下：（1）设备管理。记录了煤气瓶的设备编号、设备名词、安装区域、安装位置、设备状态等状态信息，无论在哪终端都可以及时把位置发送给相关部门，提醒相关部门及时预防。（2）数据监测。该系统给煤气瓶进行编号排序，高效查看对应的煤气瓶信息。具有温湿度、一氧化碳浓度、位置等功能的信息采集，及时了解煤气罐的状态。（3）用户管理。超级管理员可新建用户，查看普通用户的详情以比如用户名称、手机号码，状态、创建时间等，并且指定用户添加角色的权限。（4）角色管理：可以对用户进行分配角色,超级管理员可以拥有所有的权限,可停用到角色的所有权限;对不同角色用户也具有不同的管理功能。管理员有备煤气瓶管理、系统管理和系统监控的功能;普通角色则具有煤气瓶管理、查看系统通知公告的功能。前端接口层业务逻辑层数据接口层关系型数据库 URL请求涉及数据库否否是是开始结束图 3 业务逻辑流程图（下转第 74 页）74|电子制作 2023 年 1 月软件开发 13Liao Zhihao,Fan Neng,Xu Kai.Swin Transformer Assisted Prior Attention Network for Medical Image SegmentationJ.Applied Sciences,2022,12(9).14 朱晓慧,钱丽萍,傅伟.图像数据增强技术研究综述 J.软件导刊,2021,20(05):230-236.15 马金林,魏萌,马自萍.基于深度迁移学习的肺结节分割方法 J.计算机应用,2020,40(07):2117-2125.16 郭栋,葛黎黎.基于迁移学习的智慧农业病虫害图像识别方法 J.智慧农业导刊,2022,2(14):7-9.17 刘夏鸣.一种基于迁移学习的视觉多任务模型探析 J.科学技术创新,2022(23):103-106.18Liu Y,Shao Z,Hoffmann N.Global Attention Mechanism:Retain Information to Enhance Channel-Spatial InteractionsJ.arXiv preprint arXiv:2112.05561,2021.19Luong M T,Pham H,Manning C D.Effective approaches to attention-based neural machine translationJ.arXiv preprint arXiv:1508.04025,2015.20Sutskever I,Vinyals O,Le Q V.Sequence to sequence learning with neural networksJ.Advances in neural information processing systems,2014,27.21Zhang Z.,Lan C.,Zeng W.,Jin X.,Chen Z.Relation-Aware Global Attention for Person Re-IdentificationJ.Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,2020.22Tan,Mingxing,and Quoc Le.“Efficientnetv2:Smaller models and faster training.”In International Conference on Machine Learning,pp.10096-10106.PMLR,2021.23Liu,Zhuang,Hanzi Mao,Chao-Yuan Wu,Christoph Feichtenhofer,Trevor Darrell,and Saining Xie.“A convnet for the 2020s.”In Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,pp.11976-11986.2022.24Han,Kai,Yunhe Wang,Hanting Chen,Xinghao Chen,Jianyuan Guo,Zhenhua Liu,Yehui Tang et al.Dosovitskiy,Alexey,et al.“An image is worth 16x16 words:Transformers for image recognition at scale.”arXiv preprint arXiv:2010.11929(2020).25 陈欢.基于 YOLO 的移动端视频目标跟踪的设计与实现 D.黑龙江大学,2021.26 李艳丽.卷积神经网络模型压缩方法在图像分类中的应用D.吉林大学,2021.27 孙依然.面向深度神经网络的模型压缩与加速研究 D.浙江大学,2021.28李凯.Android操作系统分析与移植D.华南理工大学,2011.29 黄永正.Android 平台 App 开发辅助工具的研究与实现 D.北京邮电大学,2016.通信作者：王学。（5）日志管理：超级管理员能够查看所有登陆该网站的日志编号、系统模块等信息，查看用户名称及登录日期等。煤气瓶监测系统主要实现的功能如图 4 所示。煤气瓶移动智能监测系统煤气瓶管理设备管理用户管理角色管理日志管理图 4 煤气瓶移动智能监测系统功能图6 结束语本文从煤气瓶安全需求入手，分析了现有煤气瓶安全监管技术的不足，提出了流动摊贩煤气瓶移动智能监测系统设计，将 NB-IoT 技术与城市管理相结合，提升城市安全水平。本文主要完成的工作如下：查阅文献，了解煤气瓶安全监管相关技术的发展现状，对煤气瓶的安全监管进行分析，并依据分析给出煤气瓶监测终端设计方案。对嵌入式系统的通信数据处理进行了分析，实现了设备终端和物联网云平台间的通信。采用 HTML+JS 完成网页设计，将信息以一个友好的方式展示给用户。本文设计的煤气瓶监测终端满足了设计要求，可以实现对煤气瓶状态的实时监测。但是还有许多需要改进的地方：考虑到功耗问题，应该从器件选型上考虑，进一步优化系统功耗。煤气瓶监测终端外壳重量还需要进一步减轻，避免对煤气瓶本身造成影响。压力传感器会随着时间的推移发生变化，影响重量测量，可以考虑根据历史数据动态进行重量比对。参考文献 1 陈素锋.基于 B/S 模式的气瓶动态监管系统的设计与实现 D.电子科技大学，2014.2 张训汉.气瓶安全监管系统软件的设计与实现 D.南京航空航天大学，2011.3 王宁.基于 NB-IOT 的煤气罐监控终端的设计与实现 D.北京交通大学,2019.（上接第 36 页）