基于NB-IoT的天然气井监测系统设计与实现
发布时间：2021-02-16 18:16
随着我国基础设施建设的不断完善,城市天然气管网的建设也进入新阶段。针对天然气井因数量多且管理部门管理不善而造成的安全问题,我国采用人工巡检的方式来解决,但是这种方式不能全天候、全方位、实时地对天然气井进行监管,因此开发一套天然气井监测系统,对天然气井进行实时监测与管理具有很强的现实意义。本文以天然气井监测系统为研究对象,在总结分析检查井监测系统国内外研究现状的基础上,结合天然气井监测设备的工作环境,对常用物联网无线通信技术对比分析,明确了采用窄带物联网（NB-IoT）作为天然气井监测系统采集终端与云平台之间的无线传输方式。对天然气井监测系统的功能需求进行深入分析,并以NB-IoT技术为核心设计了系统的总体架构,从数据采集终端、服务器端、管理平台、手机客户端四个部分进行设计。数据采集终端以低功耗芯片STM32为主控制器采集天然气井的环境参数,通过以BC26模组为核心的NB-IoT模块将采集到的数据上传至云平台,服务器通过北向数据查询接口获取平台上的数据。服务器端和管理平台结合前后端分离技术,分别采用SpringBoot框架与Vue.js框架来完成搭建。针对数据采集终端数据量大、高并发以及...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
系统拓扑结构图
2天然气井监测系统总体设计10别是天然气传感器、水位传感器、压力传感器、位移传感器，各个传感器负责对井下数据的采集，并通过数据接口及其转换模块将数据发送到主控制器。电源模块为整个采集终端最重要的一部分，通过电路转换模块为采集终端提供电源。NB-IoT模块通过主控制器以AT指令的方式，将主控制模块处理好的数据发送到云平台。设置蓝牙模块的目的是为了工作人员安装终端设备时，可通过手机客户端完成对终端初始化配置，方便工作人员安装操作。图2.2数据采集终端组成框图2.2.2服务器服务器端采用B/S架构实现，主要负责接收云平台发送的数据，然后进行存储、转发等功能。服务器严格按照MVC设计模式设计，结合SpringBoot+Mybatis+MySQL实现。SpringBoot简化了程序的开发，并且可以使用Spring组件，其约定大于配置，通过运行程序就能够实现一个独立的应用。SpringBoot内置Tomcat服务器，所以服务器主机上无需安装Tomcat，直接将应用程序打成Jar包的形式运行即可，非常方便后期维护和部署[36]。MyBatis作为持久层框架，通过定制化SQL语句、存储过程以及高级映射，省去了大部分JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集[37]。考虑到数据库访问量大的问题，服务器与MySQL之间使用数据库连接池的方式进行连接，不仅减少了创建连接的时间，而且控制了资源的使用。服务器端程序设计包括单点登录、权限管理、消息推送、异常管理、日志等，并为管理平台与手机客户端提供了统一的RESTful风格接口。为了提高服务器性能，服务器采用微服务部署策略方式进行部署，消息中间件使用Kafka，缓存使用Redis。
2天然气井监测系统总体设计132.3.2通信协议选择CoAP协议与MQTT协议都是物联网中比较流行的协议，NB-IoT通过CoAP协议和MQTT协议与基站通信，都对数据传输量做了很大的精简，传输开销小，以适应物联网的网络环境。另外物联网也能够使用XMPP协议进行通信，但XMPP是基于XML，对于嵌入式硬件设备来说，实现XML解析是非常困难和消耗资源的。如表2.2所示，对CoAP协议与MQTT协议作了比较。表2.2MQTT与CoAP协议对比协议核心特点下层协议适用场景硬件要求MQTT长连接TCP实时控制/执行器较高CoAP低功耗UDP数据采集/传感器较低通过表2.2可以看出，MQTT是基于TCP协议传输的，长连接，功耗比较高，CoAP是基于UDP协议传输的，功耗比较低，适用于传感器设备数据采集，而MQTT协议比较适用于下行控制，比如智能锁、智能家居等。天然气井监测系统采集的井下信息数据量都比较小，不需要下行控制采集终端设备等操作且要求功耗低，所以，本论文选用CoAP协议作为NB-IoT模块的通信协议。2.3.3CoAP协议研究CoAP(ConstrainedApplicationProtocol)协议是一种面向网络的协议，其由LETF提出。CoPA协议与HTTP协议比较接近，其具有抽象资源的核心内容，并且采用了REST风格完成信息交互[40]。为解决CoPA协议受限环境劣势，LETF不仅设计了最优化的数据报传输长度，而且采用了可靠的通信方式。一方面，CoAP协议支持REST、URI方式的方法，例如GET、PUT、DELETE与POST，并且能够自定义传输头选项，使CoAP协议具有可扩展性。另一方面，CoAP协议是基于UDP的轻量级协议，支持IP多广播。CoAP协议设计了事务处理重传机制，目的是解决UDP协议的不可靠性，保证了报警信息的可靠，而且CoAP协议具有带资源描述的资源发现机制。CoAP协议报格式如图2.3所示。图2.3CoAP协议报格式
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于单点登录的实验室统一身份认证方案[J]. 王群,李馥娟. 实验技术与管理. 2020(05)
[2]基于物联网的窨井数据采集系统设计[J]. 葛金鑫,杨慧中,崔宝同. 传感技术学报. 2020(04)
[3]基于Vue和Spring Boot的校园记录管理Web App的设计与实现[J]. 肖文娟,王加胜. 计算机应用与软件. 2020(04)
[4]城市井盖设施管理的碎片化及其治理——以广州市为例[J]. 刘晓洋,许丹敏. 城市问题. 2019(12)
[5]基于NB-IoT的智慧井盖监测系统设计与实现[J]. 朱代先,王力立,刘冰冰,孙小婷,胡齐涛,刘刚. 计算机测量与控制. 2019(10)
[6]NB-IoT综述及性能测试[J]. 杨观止,陈鹏飞,崔新凯,侯维岩. 计算机工程. 2020(01)
[7]基于蓝牙的智能超速语音报警系统的设计[J]. 李云强,鲁庆宾,张凌晓. 重庆理工大学学报(自然科学). 2019(07)
[8]基于物联网技术的盾构油液在线监测系统研究[J]. 吴朝来. 隧道建设(中英文). 2019(06)
[9]市政有限空间气体危害因素检测及作业安全风险评估[J]. 杨春丽,刘艳,秦妍,陈娅,谭聪. 安全与环境学报. 2019(03)
[10]NB-IOT智能井盖通信机制的低功耗分析[J]. 李洪,张雪凡,徐俊超. 电子测量技术. 2019(10)
硕士论文
[1]地下管廊三维可视化建模系统设计与实现[D]. 陈春莹.武汉大学 2018
[2]基于C/S模式的城市燃气管网信息系统研发[D]. 李卓.西南交通大学 2014
本文编号：3036743
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
系统拓扑结构图
2天然气井监测系统总体设计10别是天然气传感器、水位传感器、压力传感器、位移传感器，各个传感器负责对井下数据的采集，并通过数据接口及其转换模块将数据发送到主控制器。电源模块为整个采集终端最重要的一部分，通过电路转换模块为采集终端提供电源。NB-IoT模块通过主控制器以AT指令的方式，将主控制模块处理好的数据发送到云平台。设置蓝牙模块的目的是为了工作人员安装终端设备时，可通过手机客户端完成对终端初始化配置，方便工作人员安装操作。图2.2数据采集终端组成框图2.2.2服务器服务器端采用B/S架构实现，主要负责接收云平台发送的数据，然后进行存储、转发等功能。服务器严格按照MVC设计模式设计，结合SpringBoot+Mybatis+MySQL实现。SpringBoot简化了程序的开发，并且可以使用Spring组件，其约定大于配置，通过运行程序就能够实现一个独立的应用。SpringBoot内置Tomcat服务器，所以服务器主机上无需安装Tomcat，直接将应用程序打成Jar包的形式运行即可，非常方便后期维护和部署[36]。MyBatis作为持久层框架，通过定制化SQL语句、存储过程以及高级映射，省去了大部分JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集[37]。考虑到数据库访问量大的问题，服务器与MySQL之间使用数据库连接池的方式进行连接，不仅减少了创建连接的时间，而且控制了资源的使用。服务器端程序设计包括单点登录、权限管理、消息推送、异常管理、日志等，并为管理平台与手机客户端提供了统一的RESTful风格接口。为了提高服务器性能，服务器采用微服务部署策略方式进行部署，消息中间件使用Kafka，缓存使用Redis。
2天然气井监测系统总体设计132.3.2通信协议选择CoAP协议与MQTT协议都是物联网中比较流行的协议，NB-IoT通过CoAP协议和MQTT协议与基站通信，都对数据传输量做了很大的精简，传输开销小，以适应物联网的网络环境。另外物联网也能够使用XMPP协议进行通信，但XMPP是基于XML，对于嵌入式硬件设备来说，实现XML解析是非常困难和消耗资源的。如表2.2所示，对CoAP协议与MQTT协议作了比较。表2.2MQTT与CoAP协议对比协议核心特点下层协议适用场景硬件要求MQTT长连接TCP实时控制/执行器较高CoAP低功耗UDP数据采集/传感器较低通过表2.2可以看出，MQTT是基于TCP协议传输的，长连接，功耗比较高，CoAP是基于UDP协议传输的，功耗比较低，适用于传感器设备数据采集，而MQTT协议比较适用于下行控制，比如智能锁、智能家居等。天然气井监测系统采集的井下信息数据量都比较小，不需要下行控制采集终端设备等操作且要求功耗低，所以，本论文选用CoAP协议作为NB-IoT模块的通信协议。2.3.3CoAP协议研究CoAP(ConstrainedApplicationProtocol)协议是一种面向网络的协议，其由LETF提出。CoPA协议与HTTP协议比较接近，其具有抽象资源的核心内容，并且采用了REST风格完成信息交互[40]。为解决CoPA协议受限环境劣势，LETF不仅设计了最优化的数据报传输长度，而且采用了可靠的通信方式。一方面，CoAP协议支持REST、URI方式的方法，例如GET、PUT、DELETE与POST，并且能够自定义传输头选项，使CoAP协议具有可扩展性。另一方面，CoAP协议是基于UDP的轻量级协议，支持IP多广播。CoAP协议设计了事务处理重传机制，目的是解决UDP协议的不可靠性，保证了报警信息的可靠，而且CoAP协议具有带资源描述的资源发现机制。CoAP协议报格式如图2.3所示。图2.3CoAP协议报格式
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于单点登录的实验室统一身份认证方案[J]. 王群,李馥娟. 实验技术与管理. 2020(05)
[2]基于物联网的窨井数据采集系统设计[J]. 葛金鑫,杨慧中,崔宝同. 传感技术学报. 2020(04)
[3]基于Vue和Spring Boot的校园记录管理Web App的设计与实现[J]. 肖文娟,王加胜. 计算机应用与软件. 2020(04)
[4]城市井盖设施管理的碎片化及其治理——以广州市为例[J]. 刘晓洋,许丹敏. 城市问题. 2019(12)
[5]基于NB-IoT的智慧井盖监测系统设计与实现[J]. 朱代先,王力立,刘冰冰,孙小婷,胡齐涛,刘刚. 计算机测量与控制. 2019(10)
[6]NB-IoT综述及性能测试[J]. 杨观止,陈鹏飞,崔新凯,侯维岩. 计算机工程. 2020(01)
[7]基于蓝牙的智能超速语音报警系统的设计[J]. 李云强,鲁庆宾,张凌晓. 重庆理工大学学报(自然科学). 2019(07)
[8]基于物联网技术的盾构油液在线监测系统研究[J]. 吴朝来. 隧道建设(中英文). 2019(06)
[9]市政有限空间气体危害因素检测及作业安全风险评估[J]. 杨春丽,刘艳,秦妍,陈娅,谭聪. 安全与环境学报. 2019(03)
[10]NB-IOT智能井盖通信机制的低功耗分析[J]. 李洪,张雪凡,徐俊超. 电子测量技术. 2019(10)
硕士论文
[1]地下管廊三维可视化建模系统设计与实现[D]. 陈春莹.武汉大学 2018
[2]基于C/S模式的城市燃气管网信息系统研发[D]. 李卓.西南交通大学 2014
本文编号：3036743
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