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摘要：本文結合物聯網技術，基于互聯網管理系統，提出智慧城市建設中易燃有毒有害氣體實時監測數據系統構架及傳輸方案，可供相關工程技術人員參考。
1引言
物聯網和移動互聯網技術的融合能夠實現社會經濟效益的最大化提升，并預防災害事故的發生。因此，創建智慧物聯網發展模式是必然趨勢。近年來，國內城市燃氣事故頻發，引發廣泛關注。城市燃氣快速發展，安全防護卻跟不上。管道燃氣管線違章占壓、違規穿越密閉空間等問題大量存在，液化石油氣企業違法充裝、無證經營等行為突出，且科技信息化手段滯后，燃氣自閉閥、燃氣泄漏報警器等使用率低下，甚至許多城鎮燃氣事故的發生源于樓道未安裝信息化燃氣報警裝置或裝置出現故障，居民無法提前感知重大風險?；诖髷祿破脚_、移動網絡和物聯網傳感器，智慧物聯網在城市燃氣防災減災中有巨大的應用空間。
2系統設計要點
該系統由大數據云平臺、物聯網和終端傳感器構建而成，需要滿足城市燃氣和有毒有害氣體監測預警的需求。（1）構建一個普遍適用于城鄉的傳感設備數據傳輸網絡，該網絡具備終端分布廣、種類繁多、數量龐大、采樣頻繁等特點。（2）根據智慧城市易燃有毒有害氣體監測的管理特點，形成一個高效實用的多傳感器數據融合算法，解決現場網關設備數據融合問題。（3）設計一組普適、便捷的物聯網應用中間件架構及數據處理層壓縮算法，實現傳感器等感知元件和應用系統之間的數據格式轉換、傳輸及過濾，具有統一的傳感信息接入標準，具備對傳感信息進行身份認證和安全傳輸的能力。（4）通過信息化、集中管理的方式，實現對易燃有毒有害氣體的實時監測、預警，以及監測設備資產管理、運行監測、智能控制和整體運維管理，從而達到節能增效的目的，提升智慧城市安全管理水平。（5）充分利用項目積累的大量數據，優化系統業務管理、風險管控，以數據為中心，基于人工智能算法，支撐智慧化應用。
3總體思路
該系統利用現有成熟先進的監測技術，從數字化角度出發，結合智慧城市的發展趨勢，基于大數據云平臺和移動互聯網，采用NB-IoT或LoRa終端物聯網，在城市范圍內的智慧燈桿和建筑樓道安裝易燃有毒有害氣體傳感器，并接入互聯網管理系統，構建易燃有毒有害氣體監測系統，以實現城市應急、公共服務等綜合管理。
4系統設計該系統
主要由氣體采集設備、聲光報警設備、聯網模塊、后臺管理云平臺（實時監測預警系統管理軟件、監視屏、中心平臺服務器）組成，包括前端感知子系統、網絡傳輸子系統、物聯網子系統和管理平臺子系統四個部分。其中，氣體采集設備、聲光報警設備和聯網模塊組成一個采集單元，而聯網模塊主要作為云平臺和采集設備（報警設備）之間數據交換的橋梁，向上通過網絡與后臺管理中心進行通信，實現數據交互與控制。氣體采集設備實時采集CH4、H2S、NH3、CO、CO2等易燃有害氣體在空氣中的濃度等數據，然后通過無線或有線方式，經網關將采集的數據傳輸到云平臺。
4.1前端感知子系統
氣體采集設備是前端感知子系統的核心，它決定了預警的準確性。當空氣中存在有害氣體時，氣體傳感器會實時監測有害氣體的濃度值，從而實現對有害氣體的實時監測警告。氣體傳感器應用廣泛，但每種應用場景下都有不同的技術要求，如被測氣體類型、封裝尺寸、靈敏度、壽命、響應時間等。本系統采用氣體傳感器來實現前端感知。選擇氣體傳感器主要考慮的因素有量程范圍、干擾氣體、靈敏度、防水防護登記、采樣方式等。
4.2網絡傳輸子系統
在物聯網的三層體系架構中，網絡層承擔著傳輸的功能，即通過互聯網與物聯網的融合，將各方面信息進行可靠交互與共享，并對應用、感知設備進行管理和鑒權。而這必須要有較大的吞吐量和較高的安全性。該系統主要考慮通過NB-IoT和LoRa-IoT兩種無線傳輸技術來實現物聯網的構建?，F場的各種傳感設備通過有線網絡連接接入融合網關，融合網關通過NB-IoT或LoRa-IoT接入通信基站，通信基站通過網絡光纖連接，接入大數據云平臺。
4.3物聯網子系統
設備側（聯網模塊）通過基于TCP的MQTT協議，上傳數據到物聯網云服務平臺提供的自定義Topic，服務端通過AMQPSDK獲取設備上報消息，將數據處理后存入數據庫。服務端通過調用物聯網平臺接口Pub向設備發布指令，設備接收到指令后進行相應的操作。Topic通信背景如圖1所示。4.4管理平臺子系統采用信息化技術進行智能化的有害氣體在線監測及智能化數據分析、預警，為積極預防、處理事故提供可靠保障，實現監測預警與運維一體化可控、可測和可視。管理平臺子系統架構如圖2所示。（1）有害氣體智能感知及智能分析預警技術。通過前端各類氣體監測傳感器等采集各區域有害氣體監測數據，結合區域監測數據、歷史數據等海量數據分析，實現對城市有害氣體的分布、識別預警與預判，提升應急事件監測及預警能力，為供氣部門提供輔助監測。（2）三維可視化技術。運用三維可視化、VR虛擬現實等技術，進行城市有害氣體監測點基于3D的數據及報警三維可視化呈現、可視化交互與監控，實現2D/3D場景的可視化切換。同時，實現三維可視化仿真演練。（3）監測傳感器智能巡檢及運維技術。實現對有害氣體傳感器的遠程智能巡檢、傳感器設備故障狀態監測功能。采用流程與工單方式讓機電設備的巡查、維修、派單信息化，實現對設備的資產管理、機電設備巡檢管理、機電設備維修管理、設備運行監測系統的數據交互等功能。（4）應急調度融合通信技術?？梢宰龅接泻怏w監測應急事件快速發現、無障礙傳遞、事件點資源融合、多媒體呈現、應急響應和處置過程流程化。在應急事件處置過程中，及時響應、有效聯動、多渠道多方式的應急通知和事件的評估與追述，以及在城市各監測點應急事件監測、傳遞、處置的過程中，利用平臺構建基于融合通信技術的應急指揮調度，并通過應急廣播系統和移動互聯網實現應急信息的多種終端覆蓋。（5）基于智慧物聯網的移動監控技術，可達到有害氣體監測無人值守，管理者通過移動終端隨時隨地掌握城市各區域有害氣體監測分布情況、預警情況，做到監測及預警無人值守。（6）資產管理數字化技術。對有害氣體傳感器、燈桿控制箱等資產、機電設備資產進行資產信息化管理，進行機電設備的竣工文件與GIS結構物對象綁定，在查看地圖對象的同時，可快捷調出相應對象的竣工電子檔案。
5測試案例
5.1案例架構
如圖3所示，本案例框架中包含數據傳感器（用于數據采集的傳感器，如煙霧傳感器、報警器等）、聯網模塊（將傳感器的數據上傳到服務器）、網絡傳輸（使用MQTT作為無線物聯網協議）、云平臺（物聯網服務器、應用服務器、存儲器等）、用戶終端（中控大屏、手機、工作站）幾個主要部分。
5.2硬件設計案
例中以STM32F103作為主控制器，測試傳感器為MQ-2煙霧傳感器和MQ-4燃氣傳感器，聯網模塊為NB-IoT聯網模塊（WH-NB61），云服務器平臺為阿里云。其中，STM32F103主控制器是整個系統的核心部分，負責各模塊之間的數據通信，根據和各模塊的通信情況，及時做出異常判斷和處理；MQ-2煙霧傳感器適用氣體為可燃氣體、煙霧，檢測范圍為100~10000ppm；MQ-4燃氣傳感器適用氣體為甲烷、天然氣，檢測范圍為300~10000ppm。
5.3協議與聯網
使用NB-IoT作為無線傳輸的物理層協議，相對4G傳輸，有低功耗、傳輸小數據、傳輸速度低的優勢。MQTT協議為應用層協議，是一個基于客戶端—服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。本系統中，NB-IoT通信模塊與阿里云平臺通過MQTT協議進行通信連接，在STM32F103主控制器中的主要連接代碼和步驟如圖4所示。
5.4系統數據流轉
傳感器采集數據后，將其通過聯網模塊上傳至云服務平臺，然后物聯網服務分析處理數據并存入數據庫，智慧管理系統再從數據庫中取出相關數據分析匯總并觸發告警機制，通過大屏和用戶終端進行呈現，用戶便可以從終端獲取相關信息，從而做出避險或者協助事故處理的舉措。智慧管理系統也可以將告警數據再次匯報給物聯網服務，然后物聯網服務快速下發關閉指令給已經入網的燃氣閥門控制器，使其關閉，從而達到快速阻止燃氣繼續泄漏的目的。本次測試中，氣體閾值設定在250ppm進行預警。從19:00到24:00，其中共有三次（時間分別為21:02、22:58、23:02）喚醒報警器并關閉天然氣閥門。經此測試證明，當氣體濃度達到預設閾值時會觸發預警機制，在一定程度上保證了燃氣試驗系統的自動化檢測、自動化預警和自動化應急處理。
6結語
本文按照智慧城市信息化建設的發展趨勢，打造先進的、高起點、高標準的基于智慧物聯網的易燃有害氣體智能監測系統及預警軟件平臺，解決了城市道路有害氣體在線智能監測及運維一體化管理，體現了智能化安全監測、智能化運維以及智慧化、無人化的管理，增強了城市有害氣體監測及預警管理的能力，提升了城市智能化安全管理水平。
作者：張長娟 單位：四川省廣播電視科學技術研究所
