【《一款基于ARM的石油储存动态监测系统的总体方案设计案例》6100字】

一款基于ARM的石油储存动态监测系统的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u615一款基于ARM的石油储存动态监测系统的总体方案设计案例 147211.1系统功能要求 1209431.2系统整体架构设计 249181.3系统功能设计方案 399041.4石油储存区监测节点设计 488651.5无线传输模块设计方案 549641.5.1ZigBee无线技术设计方案 5154341.5.2Wi-Fi无线技术设计方案 654321.6云平台设计方案 7327621.6.1云传输概念 7199061.6.2云平台发展现况 7118281.6.3云平台功能设计 850371.6.4云平台的选取 9251601.6.5云平台接口协议 101.1系统功能要求通过对国内石油储存区监测系统的了解与分析，设计出一款基于ARM的石油储存动态监测系统。本系统针对储油罐的温度、压力、液位三种参量进行监测，要求系统数据分析处理及时可靠，实现24小时在线远程监测，并且适应各种环境、天气，节省人力、物力，保障石油储存区的作业安全和工作人员的生命健康[29]。本系统的具体功能要求阐述如下。

1、远程性，本系统的设计是针对石油储存区中储油罐内的温度、压力、液位等进行监测，监测人员可以对石油储存区数据进行远程查看。

2、实时性，监测系统能够实时上传数据，保证监测系统的高效性，准确性，并能及时的上传云平台，方便监测人员了解储油罐区情况并进行24小时在线监测。

3、适应性，由于石油储存区一般处于偏远地区，传输信号会受到外部复杂环境的干扰，需要对数据传输信号抗干扰性做优化处理。

4、成本低，选用的硬件传感器、芯片以及软件系统开发平台能够满足监测系统的需要，价格便宜且方便维修，避免给企业带来沉重的经济负担。5、数据可视化，设计与实现云平台数据展示界面的直观性，工作人员可以对数据展示界面任意绑定自己的数据流，对数据展示界面的整体进行布局，使界面数据信息显示更加简洁、人性化、合理化。1.2系统整体架构设计通过上述石油储存动态监测系统的功能需求分析，设计出一款基于ARM的石油储存动态监测系统。本系统设计包含了温度传感器模块设计、压力传感器模块设计、液位传感器模块设计、电源模块设计、无线Wi-Fi模块设计、OneNET云平台系统设计。系统整体架构设计如图1.1所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC1系统整体架构设计图1、硬件感知层设置在硬件终端，负责对储油罐的温度、压力、液位进行采集，传感器将采集到的数据传递给主控模块，主控模块把获取到的数据集中整理打包，通过无线Wi-Fi模块发送至OneNET云平台。2、网络传输层主要利用网络串口协议将采集到的数据通过无线Wi-Fi模块进行传输，并把数据快速准确的发送到OneNET云平台，OneNET云平台将数据进行处理和分析，以此来实现实时显示和远程监测的功能[30]。3、用户应用层的主要任务是工作人员通过任意PC端登录OneNET云平台账号，利用OneNET数据可视化功能，直观动态地实时查看石油储存区的各个储油罐的运行状态，及时发现危险源，避免安全事故的发生。1.3系统功能设计方案1、系统监测。实时采集储油罐的温度、压力和液位等数据信息，通过本地和远程动态查看，对石油储存全部作业区以及单油罐的相关参数进行全过程动态监控[31]。

2、数据分析。作为石油储存区监测过程的重要环节，对储油罐区的状态变化趋势进行分析，可以直观的反映石油储存区的安全状态。工作人员可以通过查看历史曲线分析每个储油罐监测系统的实时工作量，以及温度、压力和液位的相关数据信息。3、云平台管理。云平台服务器接收到数据信息后，将会进行存储和分析等一系列操作，借助云平台进行数据信息可视化显示，工作人员在PC端登录后，不仅能够访问数据库，还可以下载相关数据信息，对历史数据进行查询回看等[32]。系统功能设计方案如图1.2所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC2系统功能设计方案图1.4石油储存区监测节点设计石油储存区监测节点主要有六个部分组成，其中除了三个传感器（温度、压力和液位）外，还有三个重要部分，一是无线Wi-Fi通信模块，二是微处理器，三是供电单元[33]。三个传感器负责对相关数据信息进行采集，然后微处理单元对数据信息进行相应处理，接着无线Wi-Fi通信模块对数据进行传输，通过无线Wi-Fi通信模块和云平台连接上传数据[34]。石油储存区监测节点设计如图1.3所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC3石油储存区监测节点设计图1.5无线传输模块设计方案无线通信的传输过程主要表现为借助电磁波信号实现在介质中的传输，从而完成信息的交换。无线通信技术所需要的制造成本比较低，因为无线通信技术不需要用线路来连接，所以节省了大量的制造成本[35]。无线传输技术具有特殊性，当环境发生变化时，不会轻易受到环境的影响，信号传输较为稳定，有着超强的适应能力。当出现问题时，可以远程无线的诊断，更加方便快捷，节省时间并提升了工作效率；当网络需要开发时，无线通信技术不需要新线路的规划和搭建。综上所述，无线通信技术的灵活应用性、稳定性更高[36]。在智能物联网监测领域中，需要将无线传输技术和云平台监测系统联系起来，比较常见的方式有两种，一是ZigBee无线技术，二是Wi-Fi无线模块技术，这两种方式各有自己的优缺点，以下将两种技术方案进行对比，突出Wi-Fi无线模块技术的优势。1.5.1ZigBee无线技术设计方案Zigbee是无线网上协议的一种，以IEEE801.15.4标准为基础，是一种传输距离短，传输速度慢，构造形成距离较短，功耗很低的无线通信传输技术。ZigBee无线通信技术的产生是效仿蜜蜂群体之间的交流方法，蜜蜂在飞翔的同时通过高频率抖动翅膀对食物进行搜寻，感知周围物体的远近信息，不同个体在这一过程中形成了蜜蜂群体之间特殊的通信交流网络[37]。这项技术就是以蜜蜂相互联系的方式为基础建立起来的，传输数据过程主要有两个部分：一是直序扩频技术，二是短帧，该技术极大提高了数据传输速度，兼备低功耗、扩展性、自我恢复能力强等诸多优势，特别适用于大范围组网连接，随时可以便捷地接入新设备。ZigBee无线通信技术的主要工作流程是先将ZigBee无线模块与协调器连接在一起组成一个局域网络，传感器对数据进行采集，然后将其输送至ZigBee无线模块，该模块将接收到的信息运输至协调器，协调器对数据进行一系列处理后经过网络协议和通信网关将信息运输至云平台，通过上位机可以对信息进行监测，实现远程监控。虽然ZigBee无线技术设计应用的比较成熟，但该方案也存在一些缺点，主要是ZigBee的避障透传功能较弱，当有障碍物或屏蔽物存在时，数据传输能力在一定程度上会降低；其次，该技术不论是移动控制端还是PC端都需要控制界面，而界面的开发需要专业技术人员，工作难度较大，开发具有一定局限性；另外，存在组网时间周期较长、通信传输能力较低、制造成本高等诸多缺点。正因为这些缺陷，ZigBee技术没有能够广泛应用于生产中。ZigBee无线技术设计的方案结构如图1.4所示。远端终端通信网关云平台ZigBee远端终端通信网关云平台ZigBee局域网络图1.SEQ图2.\*ARABIC4ZigBee无线技术设计方案图1.5.2Wi-Fi无线技术设计方案Wi-Fi无线传输技术适用于无线局域网，是以IEEE801.11协议为基础的。日常生活中，Wi-Fi无线通信技术的应用极为广泛，与蓝牙技术相比，该技术的信号覆盖范围更广阔，最远传输距离近百米。利用Wi-Fi无线传输技术来传输数据具有的最大优势是它的传输速度很快，因此被广泛应用于移动办公网络中，特别适用于需要迅速传输数据的工作。Wi-Fi无线传输技术不需要搭建线路，不用考虑搭建线路对环境造成的影响，只需要将终端设备置于工作区，就可以实现与因特网的连接[38][39]。Wi-Fi无线传输技术的实现主要依靠两个部分，一是监测终端，二是设备云平台。简单地说，就是一个二级简化系统，其中前者又包括两个部分：传感器和Wi-Fi模块，该模块在市场上非常受欢迎，是联网通信模块的一种，由ARM内核以及Flash存储器两个部分组成，其不仅可以实现无线数据传输功能，数据采集能力也是非常强大的，既可以为无线通信模块提供服务，也可以作为MCU主控芯片。在设计使用过程中，只要是监测区域内的数据都会被采集，然后无线模块将其进行打包，并传输至设备云平台，尔后将接收到的数据进行存储，为后续工作提供数据基础，Wi-Fi无线传输技术方案如图1.5所示。无线Wi-Fi网络无线Wi-Fi网络远端终端云平台图1.SEQ图2.\*ARABIC5Wi-Fi无线传输技术设计方案图这种方式的系统架构较为简单，借助于Wi-Fi模块实现数据传输，不仅传输速度快、效率高、安全可靠，而且出现延迟的次数少，组装也比较方便，只要有网络热点，该模块就可以自动感应和连接[40]。同时操作方便快捷，如果设备接收到的数据信息量非常大，也不需要数据线和专业技术，只要通过设备云平台就可以快速查看数据，工作人员能够随时随地对数据信息进行监控。综上所述，Wi-Fi无线传输技术具有绝对优势，完全能够胜任储油罐内各项数据的传输能力。因此，本文采用Wi-Fi无线传输技术来解决相关工程问题，可以达到预期的效果。1.6云平台设计方案1.6.1云传输概念云传输是将服务器进行虚拟化处理，运用云传输技术可以使数据计算、数据存储和网络资源集合为一个有机的整体，该技术与目前一直使用的物理机相比，能够释放出更多的资源空间，降低资源成本。在日常生活中，搜索引擎、邮箱、在线磁盘等都是标准的“云”。“云”是互联网的升级，它不仅提供数据存储的功能，还提供一定的服务[41]。例如，我们目前一直在使用的防疫一码通，就是云计算的结果。云平台归根结底是云下的一个子概念，它是通过云的不同形式并用一些机器经过网络组成的。现阶段，云传输平台主要由三部分组成：一是存储云平台，具有存储数据的功能；二是计算云平台，主要实现一系列的数据处理和计算；三是综合云计算平台，同时具有上述两种平台的功能。云平台接收数据后，在云平台上透明传输，数据就可以在云服务器上存储和计算。在美国，云计算作为当前大力发展的技术之一，表明其具有很强的核心竞争力[42]。1.6.2云平台发展现况在我国，云平台相对来说起步较晚，但总体发展水平蒸蒸日上。目前，其应用范围相当广泛，比如通讯和电子行业等，国家相关部门针对通信业出台了发展规划，这个规划里指出我国将会把云平台的发展作为一项重点基础建设，服务好各行各业。云计算是实现现代化数据融合和技术创新的关键性技术，是我们国家后期对于信息化发展的重点研究方向。现在，北京、上海、深圳等城市纷纷开始建立属于自己的云计算基地，腾讯和阿里巴巴等公司也加大对云平台的投资，建立起云平台中心。不单单是通讯和电子商务行业，目前，国内外的许多企业都投入了大量的人力物力对云数据集群的监控进行研究，借助于云平台不仅可以更好的维护公司产品，而且在系统性能上也得到了很大提升。随着云平台的不断发展，规模日益庞大，应用领域也越来越广泛，现在各行各业或多或少都会用到云平台，与在线监控的联系日益紧密。云平台拥有计算和存储两大优势，像一个无限数据库，不仅存储能力强大，计算能力也是一流，在线监测系统将采集到的相关信息存入云数据库，云数据库经过整理和分析，可以任意查看监测到的数据。通过计算，工程人员可快速得到被检测对象的变化，从而及时做出应对措施，为可能发生的异常动态做出预警，为在线监测系统提供强有力的支持。从整体来看，只有传统的监测技术与现代云平台有机结合在一起，相辅相成，才能实现在线监测技术的跨越式飞跃，这是监测系统未来新的发展方向[43]。1.6.3云平台功能设计设计云平台的目的是为了让储油罐区各个传感器采集到的数据实时上传并随时进行数据查询、数据储存、数据分析，工作人员能够更有效合理地对数据进行管理。云平台可以连接多台设备，并且通信接口数量较多，品质优良，可以借助于图形化方式显示数据。本系统云平台功能设计内容如图1.6所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC6系统云平台功能设计图图1.6中，各传感器对数据进行采集，然后借助无线模块进行数据传输，最终到达云平台，用户可以通过云平台显示界面实现远程查看动态数据信息和管理设备信息。总的来说，云平台的功能主要有三个，除了数据查询功能外，还有用户管理和设备管理两大功能。1、用户管理：用户通过注册云平台账号，从而享受设备数据管理服务。该功能的基本单元是个人用户，用户的注册信息、密码等一些私密信息，云平台会进行存储和保密，用户需要输入对应的账号和密码才可以实现登陆，进而享受到云平台提供的服务。2、设备管理：具体表现为传感器设备不同，其对应的设备ID也不相同，传感器的相关信息，比如型号和位置等，都在云服务器中存储。一个传感器设备可以和不同的用户产品进行绑定，而同一个产品绑定的传感器的类型和数量也是不一样的。传感器将采集到的数据输入到云平台，用户可以任意查看和编辑监测到的相关信息。3、数据查询：具体表现为用户在登录云平台后，通过自己创建的产品对相关数据信息进行查看，还可以看到历史记录。此外，用户能够对数据进行相应处理，将其通过图表形式显示出来，从而快速判断数据变化趋势。1.6.4云平台的选取在设计本系统的时候，分别对阿里云、中移OneNET云平台、腾讯云等国内几款性能较好的云平台进行比较，分析这几种云平台的优势和不足。首先，为了吸引众多用户，阿里云将重点放在云计算技术服务领域，将大量的服务器计算机联合起来组成一个超级大的计算机网络，这样一来，使得其云储存功能更加强大，云数据处理能力也得到很大提升。但同时，阿里云在平台搭建方面具有一定的局限性，用户在使用阿里云平台时必须自己搭建后台需要的服务器。其次，腾讯云的先天优势是具有已经架构好的众多用户资源，社交软件的广泛应用积累了大量的用户群，借助于云链接，将智能设备结合起来，形成一个社交圈，同时开发出相应的接口，为数量庞大的用户群体源源不断的提供各种资源。腾讯云的局限性体现在其忽略了对控制端的开发，不能高效满足系统设计的要求。另外就目前的开发水平来看，其云平台开放程度不够高，使用效率受到限制。最后是OneNET云平台，该平台的主要特征是将人、物和网络有机结合起来，智能化水平更高，各项功能都得到升级和完善。该平台包含了多项通信协议，比如HTTP和MQTT等，从而更好地满足不同用户对数据库的需求。OneNET平台上，每个用户可以创建多个产品，包括设备、数据触发器、APIKey等多个应用，每个设备又能创建多个数据流，用来储存数据，单个数据流用来存放同一性属性的数据，诸如温度、压力等。APIKey是通过调用API密钥，当用户访问对应产品时，必须通过相应的APIKey才可以进行访问。相比于阿里云和腾讯云平台而言，OneNET云平台具有物联网接入协议多元化、用户使用便捷程度高等诸多优势，是实现智能物联网接入云平台的最佳选择。经过以上对比和本系统设计的基本需求，决定选用OneNET作为监测系统的核心云平台，OneNET云平台资源模型如图1.7所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC7OneNET云平台资源模型图1.6.5云平台接口协议1、HTTPS协议接口（1）鉴权HTTPS接口需要进行鉴权，该过程是通过SONWEBTOKEN实现的，API请求需要在REQUESTHEADER才能实现，在其中放置参数，参数名为token，通过管理后台获取相应的参数值。原子云为每个账号，都生成唯一的APITOKEN；返回数据接口返回数据的固定字段如表1