基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的研制

賈榮媛　王宜懷　王小寧

摘 要：此文設(shè)計并實現(xiàn)了基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)框架總體分為三層，終端層在每個凈化器內(nèi)嵌入智能節(jié)點，采用飛思卡爾的MKW01Z128（簡稱KW01）作為控制芯片，負(fù)責(zé)信息狀態(tài)采集與Zigbee通信；中間層為主控器節(jié)點，采用K60作為主控芯片，同時使用KW01芯片作為通信芯片，實現(xiàn)與終端節(jié)點的無線數(shù)據(jù)傳輸；服務(wù)器層作為數(shù)據(jù)處理與存儲的中心，實現(xiàn)了安全的訪問控制，并通過ASP技術(shù)為不同的用戶提供其所需的實時系統(tǒng)運(yùn)行情況，和系統(tǒng)輸出大氣的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：空氣凈化；物聯(lián)網(wǎng)；MKW01Z128；無線通信；Web

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言（Introduction）

近年來我國的環(huán)境污染呈現(xiàn)加劇之勢，廢氣處理情況堪憂，一方面廢氣處理凈化設(shè)備技術(shù)低下，廢氣處理效率低，導(dǎo)致處理后的廢氣不達(dá)標(biāo)；另一方面廢氣處理凈化設(shè)備信息孤立，當(dāng)廢氣處理凈化設(shè)備老化或者故障時，不能及時進(jìn)行檢修；另外缺乏強(qiáng)有力的監(jiān)督機(jī)制和監(jiān)督手段，有限的執(zhí)法機(jī)構(gòu)和執(zhí)法人員不足以遏制廢氣排放的查處。

針對以上問題本文提出了基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的研制，能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣凈化器的智能控制與監(jiān)測。

2 智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的可行性分析（Feasibility

analysis of intelligent cleaning and monitoring

system）

本系統(tǒng)終端節(jié)點主要為自主研發(fā)ZIGBEE智能節(jié)點終端控制器，主要功能有：短距離無線組網(wǎng)，能夠根據(jù)不斷改變的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行動態(tài)拓?fù)?，維持整個網(wǎng)絡(luò)的有效通信[1]；遠(yuǎn)程程序自動更新，控制人員只需要在服務(wù)器層修改智能節(jié)點中的相關(guān)程序，系統(tǒng)就能夠遠(yuǎn)程更新所有智能節(jié)點中的控制程序；參數(shù)可配，智能節(jié)點的相關(guān)參數(shù)可遠(yuǎn)程配置更新。這使得遠(yuǎn)程控制得以實現(xiàn)。

同時，本系統(tǒng)使用的KW01芯片，芯片內(nèi)部集成了KL26微控制器和SX1231無線收發(fā)器，內(nèi)置三個可編程選擇PA。其工作頻率范圍十分寬廣，包括免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段所覆蓋的315、433、470、868、915、928和960 MHz。

3 智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（System

structure of intelligent cleaning and monitoring

system）

基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與

監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架圖

Fig.1 The overall framework of a WSCN based intelligent

purification and monitoring system which can deals

with industrial waste gas and lampblack

終端層，在每個凈化器內(nèi)嵌入智能節(jié)點，MKW01Z128（簡稱KW01）作為控制芯片，負(fù)責(zé)信息狀態(tài)采集與Zigbee通信。KW01是Freescale于2014年正式推出的ARM Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis KL26 MCU與SX1231-RF組成，面向智能家居、智能城市等各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。KW01負(fù)責(zé)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信。

中間層的主要部分是GPRS-ZIGBEE路由器，以32位ARM Cortex-M4 K系列芯片K60[2]為核心，通過UART與KW01無線傳感傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點通信。其中KW01無線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點采用ZIGBEE方式與終端控制器通信，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭訩60為核心的數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊，通過2.5G/3G[3]發(fā)送到服務(wù)器層；也可接收服務(wù)器層命令發(fā)送給智能節(jié)點終端控制器。

服務(wù)器層作為數(shù)據(jù)處理與存儲的中心，實現(xiàn)了安全的訪問控制[4]，并通過ASP技術(shù)為不同的用戶提供其所需的實時系統(tǒng)運(yùn)行情況，和系統(tǒng)輸出大氣的質(zhì)量，使得用戶可以以瀏覽網(wǎng)頁的方式對智能凈化系統(tǒng)智能化監(jiān)測與控制。

4 智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計（Software design

of intelligent cleaning and monitoring system）

4.1 需解決的問題

在本系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)中，終端層與中間層屬于低端，主要在硬件上實現(xiàn)基本功能，而服務(wù)器層的Web軟件是用戶與低端交互的一個接口。為了實現(xiàn)智能凈化與監(jiān)測，需要建立一個具有足夠交互能力并可實現(xiàn)安全控制訪問的動態(tài)網(wǎng)站，使用戶通過瀏覽器能夠獲得實時的信息，并且用戶可以通過瀏覽器對凈化器進(jìn)行一定的操作。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決以下問題：（1）目前廢氣處理凈化設(shè)備信息孤立，當(dāng)廢氣處理凈化設(shè)備老化或者故障時，不能及時進(jìn)行檢修。因此該軟件能夠監(jiān)測到故障設(shè)備并提示用戶。（2）缺乏強(qiáng)有力的監(jiān)督機(jī)制和監(jiān)督手段。進(jìn)行大量的報表統(tǒng)計。方便監(jiān)管部門從數(shù)據(jù)中方便快捷地查找數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)需要解決的又一問題。（3）系統(tǒng)具有很好的實時性，能夠?qū)崟r顯示GPRS通信狀態(tài)以及各個設(shè)備的工作狀態(tài)。（4）系統(tǒng)具有節(jié)能性。當(dāng)檢測到將要被處理的廢氣符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備將停止工作，節(jié)約能耗。

4.2 Web數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

Web數(shù)據(jù)庫指在互聯(lián)網(wǎng)中以Web查詢接口方式訪問的數(shù)據(jù)庫資源。使用Web數(shù)據(jù)庫使得軟件具有維護(hù)系統(tǒng)費(fèi)用低、軟件版本更新不涉及用戶、系統(tǒng)的管理和維護(hù)集中于服務(wù)器上、具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性等優(yōu)點。表1為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表名及其功能。限于篇幅，只選取部分羅列。

表1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表名及其功能

Tab.1 The name of the table and its function of the system

數(shù)據(jù)表名 功能

NodeInfo 該表用于存儲Zigbee節(jié)點相關(guān)信息

UserInfo 該表用來存儲用戶的登陸信息

DirControl 該表用來存儲所有向主控器發(fā)送的命令，包括未發(fā)送的和已經(jīng)發(fā)送的，通過HandelFlag字段表示

NodeState_AirCleaner 該表用于存儲從主控器接收到的終端節(jié)點的幀數(shù)據(jù)State

4.3 主要技術(shù)

本軟件網(wǎng)頁設(shè)計采用的技術(shù)如下：（1）Ajax[5]，實現(xiàn)網(wǎng)頁局部更新。（2）session[6]，用于頁面跳轉(zhuǎn)保存信息。（3）Cookie，用于存儲用戶信息，使用戶再次登錄時無需輸入用戶與密碼。

為了使系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在每次給終端節(jié)點發(fā)送命令時都要獲取反饋信息。如：當(dāng)用戶在網(wǎng)頁中對目標(biāo)凈化器進(jìn)行開關(guān)操作時，發(fā)送執(zhí)行命令后，帶回指令執(zhí)行情況標(biāo)志HandelFlag，系統(tǒng)將根據(jù)HandelFlag的值判斷指令執(zhí)行情況，如果指令執(zhí)行失敗或者發(fā)送超時，系統(tǒng)將提示用戶再次發(fā)送指令。

另外，采用可靠的加密算法，不同權(quán)限的用戶訪問的信息不一樣。只有超級管理員才有權(quán)限管理用戶，只有管理員以上級別的用戶才可以發(fā)送控制命令。每個用戶的登錄密碼都經(jīng)過MD5加密，不容易破解。

本系統(tǒng)還使用highstock圖表庫，繪制動態(tài)圖。將每個終端節(jié)點監(jiān)測的凈化器信息以曲線方式顯示在圖表中，并可實時動態(tài)添加凈化器最新的最新狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便用戶觀察與分析數(shù)據(jù)。

4.4 軟件實現(xiàn)

本軟件系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2012+Internet信息服務(wù)（IIS）+SQL Server 2008 R2模式進(jìn)行開發(fā)。由于篇幅限制，本文將介紹以下軟件模塊。

（1）登錄模塊。登錄模塊主要負(fù)責(zé)用戶的登錄管理。用戶輸入用戶名和密碼后，服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫UserInfo進(jìn)行驗證，若驗證通過，則允許用戶進(jìn)入系統(tǒng)主頁面，并將滾用戶加入到在線用戶鏈表，記錄用戶登錄的session；若驗證不通過，則返回錯誤提示，拒絕用戶登錄[7]。

（2）凈化器信息模塊。此模塊功能是向用戶顯示所選主控器號下的凈化器數(shù)據(jù)，以及對凈化器數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。當(dāng)用戶選擇查詢所有數(shù)據(jù)時，服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫的NodeState_AirCleaner表，將對應(yīng)主控器號下的所有凈化器數(shù)據(jù)顯示出來，如果用戶選擇查詢最近數(shù)據(jù)，則服務(wù)器在NodeState_AirCleaner表中查詢對應(yīng)主控器號下的最新一條凈化器數(shù)據(jù)并顯示給用戶。凈化器數(shù)據(jù)配置則是針對一臺凈化器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。

（3）單節(jié)點監(jiān)控模塊。單節(jié)點監(jiān)控模塊功能是將用戶所選終端節(jié)點對應(yīng)的凈化器信息如AD、PWM、溫度等以動態(tài)圖的方式顯示，在此頁面上用戶可直接對凈化器設(shè)備進(jìn)行操作。當(dāng)此模塊頁面加載時，服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫的NodeInfo表，將表中存在的主控器號和節(jié)點號添加在下拉列表中，方便用戶選擇，頁面將根據(jù)用戶所選節(jié)點號繪制動態(tài)度。如圖2為單節(jié)點動態(tài)圖。當(dāng)用戶在此模塊對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作時，服務(wù)器向DirControl數(shù)據(jù)表發(fā)送指定格式的命令，通過讀取HandelFlag標(biāo)志判斷指令是否執(zhí)行成功，并提示用戶。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文通過對基于WSCN的工業(yè)廢氣、油煙智能凈化與監(jiān)測系統(tǒng)的可行性以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析闡述了Web軟件設(shè)計方

案。該軟件采用了Ajax、Session、Cookie等技術(shù)使系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)在低端硬件方面能夠完美契合軟件系統(tǒng)的功能，方便用戶監(jiān)測與控制空氣凈化器設(shè)備以實現(xiàn)智能凈化。

圖2 單節(jié)點動態(tài)圖

Fig.2 Single-node dynamic map

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 無線龍.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2] 王宜懷，蔣銀珍，吳瑾.嵌入式系統(tǒng)原理與實踐—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業(yè)出版社.2012.

[3] 王宜懷，等.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實踐（第二版）[M].北京：清華大 學(xué)出版社，2011.

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[5] 譚力，楊宗源，謝瑾奎.Aj缸技術(shù)的數(shù)據(jù)響應(yīng)優(yōu)化[J].計算機(jī)工 程，2010，（11）：95-98.

[6] Roben H，Jared S.web Anatomy：Interaction Design Frameworks that Work [M]. [S.I.]：Pearson Education，k.，2010.

[7] 張晶.提高網(wǎng)站用戶注冊數(shù)據(jù)的安全有效性[J].電腦編程技巧 與維護(hù)，2012，（4）：97-99.

作者簡介：

賈榮媛（1992-），女，本科生.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用.

王宜懷（1962-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)及

應(yīng)用.

王小寧（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用.