隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善,城市天然氣管網(wǎng)的建設(shè)也進(jìn)入新階段。針對天然氣井因數(shù)量多且管理部門管理不善而造成的安全問題,我國采用人工巡檢的方式來解決,但是這種方式不能全天候、全方位、實時地對天然氣井進(jìn)行監(jiān)管,因此開發(fā)一套天然氣井監(jiān)測系統(tǒng),對天然氣井進(jìn)行實時監(jiān)測與管理具有很強的現(xiàn)實意義。本文以天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象,在總結(jié)分析檢查井監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合天然氣井監(jiān)測設(shè)備的工作環(huán)境,對常用物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)對比分析,明確了采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)采集終端與云平臺之間的無線傳輸方式。對天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行深入分析,并以NB-IoT技術(shù)為核心設(shè)計了系統(tǒng)的總體架構(gòu),從數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器端、管理平臺、手機客戶端四個部分進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)采集終端以低功耗芯片STM32為主控制器采集天然氣井的環(huán)境參數(shù),通過以BC26模組為核心的NB-IoT模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺,服務(wù)器通過北向數(shù)據(jù)查詢接口獲取平臺上的數(shù)據(jù)。服務(wù)器端和管理平臺結(jié)合前后端分離技術(shù),分別采用SpringBoot框架與Vue.js框架來完成搭建。針對數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)量大、高并發(fā)以及... 

【文章來源】：西安科技大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計10別是天然氣傳感器、水位傳感器、壓力傳感器、位移傳感器，各個傳感器負(fù)責(zé)對井下數(shù)據(jù)的采集，并通過數(shù)據(jù)接口及其轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器。電源模塊為整個采集終端最重要的一部分，通過電路轉(zhuǎn)換模塊為采集終端提供電源。NB-IoT模塊通過主控制器以AT指令的方式，將主控制模塊處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。設(shè)置藍(lán)牙模塊的目的是為了工作人員安裝終端設(shè)備時，可通過手機客戶端完成對終端初始化配置，方便工作人員安裝操作。圖2.2數(shù)據(jù)采集終端組成框圖2.2.2服務(wù)器服務(wù)器端采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)接收云平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。服務(wù)器嚴(yán)格按照MVC設(shè)計模式設(shè)計，結(jié)合SpringBoot+Mybatis+MySQL實現(xiàn)。SpringBoot簡化了程序的開發(fā)，并且可以使用Spring組件，其約定大于配置，通過運行程序就能夠?qū)崿F(xiàn)一個獨立的應(yīng)用。SpringBoot內(nèi)置Tomcat服務(wù)器，所以服務(wù)器主機上無需安裝Tomcat，直接將應(yīng)用程序打成Jar包的形式運行即可，非常方便后期維護(hù)和部署[36]。MyBatis作為持久層框架，通過定制化SQL語句、存儲過程以及高級映射，省去了大部分JDBC代碼和手動設(shè)置參數(shù)以及獲取結(jié)果集[37]。考慮到數(shù)據(jù)庫訪問量大的問題，服務(wù)器與MySQL之間使用數(shù)據(jù)庫連接池的方式進(jìn)行連接，不僅減少了創(chuàng)建連接的時間，而且控制了資源的使用。服務(wù)器端程序設(shè)計包括單點登錄、權(quán)限管理、消息推送、異常管理、日志等，并為管理平臺與手機客戶端提供了統(tǒng)一的RESTful風(fēng)格接口。為了提高服務(wù)器性能，服務(wù)器采用微服務(wù)部署策略方式進(jìn)行部署，消息中間件使用Kafka，緩存使用Redis。

2天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計132.3.2通信協(xié)議選擇CoAP協(xié)議與MQTT協(xié)議都是物聯(lián)網(wǎng)中比較流行的協(xié)議，NB-IoT通過CoAP協(xié)議和MQTT協(xié)議與基站通信，都對數(shù)據(jù)傳輸量做了很大的精簡，傳輸開銷小，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。另外物聯(lián)網(wǎng)也能夠使用XMPP協(xié)議進(jìn)行通信，但XMPP是基于XML，對于嵌入式硬件設(shè)備來說，實現(xiàn)XML解析是非常困難和消耗資源的。如表2.2所示，對CoAP協(xié)議與MQTT協(xié)議作了比較。表2.2MQTT與CoAP協(xié)議對比協(xié)議核心特點下層協(xié)議適用場景硬件要求MQTT長連接TCP實時控制/執(zhí)行器較高CoAP低功耗UDP數(shù)據(jù)采集/傳感器較低通過表2.2可以看出，MQTT是基于TCP協(xié)議傳輸?shù)�，長連接，功耗比較高，CoAP是基于UDP協(xié)議傳輸?shù)�，功耗比較低，適用于傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)采集，而MQTT協(xié)議比較適用于下行控制，比如智能鎖、智能家居等。天然氣井監(jiān)測系統(tǒng)采集的井下信息數(shù)據(jù)量都比較小，不需要下行控制采集終端設(shè)備等操作且要求功耗低，所以，本論文選用CoAP協(xié)議作為NB-IoT模塊的通信協(xié)議。2.3.3CoAP協(xié)議研究CoAP(ConstrainedApplicationProtocol)協(xié)議是一種面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，其由LETF提出。CoPA協(xié)議與HTTP協(xié)議比較接近，其具有抽象資源的核心內(nèi)容，并且采用了REST風(fēng)格完成信息交互[40]。為解決CoPA協(xié)議受限環(huán)境劣勢，LETF不僅設(shè)計了最優(yōu)化的數(shù)據(jù)報傳輸長度，而且采用了可靠的通信方式。一方面，CoAP協(xié)議支持REST、URI方式的方法，例如GET、PUT、DELETE與POST，并且能夠自定義傳輸頭選項，使CoAP協(xié)議具有可擴展性。另一方面，CoAP協(xié)議是基于UDP的輕量級協(xié)議，支持IP多廣播。CoAP協(xié)議設(shè)計了事務(wù)處理重傳機制，目的是解決UDP協(xié)議的不可靠性，保證了報警信息的可靠，而且CoAP協(xié)議具有帶資源描述的資源發(fā)現(xiàn)機制。CoAP協(xié)議報格式如圖2.3所示。圖2.3CoAP協(xié)議報格式

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3036743