基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)研究

邵星++王翠香++陳偉++張永平

摘要：工業(yè)企業(yè)由于生產(chǎn)工藝等因素制約，在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生大量污染氣體，對(duì)生態(tài)環(huán)境、居民健康具有較大影響。提出基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，感知和監(jiān)測(cè)工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)；利用云計(jì)算技術(shù)，存儲(chǔ)和處理采集得到工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)采集到的大量工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，尋找工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的規(guī)律，為污染氣體控制與治理提供決策支撐。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；工業(yè)廢氣；智能監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.012

0 引言

工業(yè)是第二產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有重要的基礎(chǔ)性支撐作用。當(dāng)前一些工業(yè)企業(yè)受到材料性質(zhì)、工藝水平以及生產(chǎn)技術(shù)的限制，生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生大量污染，尤其是污染氣體，主要有NOx、CO、C0₂、S0₂等。這些廢氣的排放，容易造成霧霾等問題，對(duì)人們身體健康、農(nóng)作物的生長等都有較大危害。

近年來，隨著環(huán)境問題的日益突出和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國家提出轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式、調(diào)整經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、減少經(jīng)濟(jì)增長對(duì)環(huán)境的影響。為了響應(yīng)國家號(hào)召，工業(yè)企業(yè)需要減少污染物的排放、實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。但要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的空氣污染進(jìn)行防治，涉及到的首要問題是污染氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制。只有獲得了精確的污染氣體數(shù)據(jù)，才能夠精確地分析空氣污染程度、污染氣體成分、污染的時(shí)間波動(dòng)等情況，為尋求有效的空氣污染的預(yù)警和控制措施提供數(shù)據(jù)支撐。因此，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染氣體進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制，對(duì)于治理工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的空氣污染、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)具有重要意義。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，給工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、射頻識(shí)別實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)物理世界更加透徹和深入的感知，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作。云計(jì)算可以為人們提供按需、低廉的計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，也為處理大數(shù)據(jù)提供了支撐平臺(tái)，在軟件服務(wù)、數(shù)據(jù)據(jù)算方面具有較好的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算都是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。由于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的巨大潛力，被國家列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，被國家和社會(huì)各界廣泛關(guān)注和大力支持發(fā)展。

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，感知和檢測(cè)工業(yè)廢氣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；利用云計(jì)算技術(shù)，存儲(chǔ)和處理采集得到工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)采集到的大量工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，尋找污染物數(shù)據(jù)的規(guī)律，為工業(yè)廢氣治理和控制提供智慧支撐。

將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中廢氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和處理，可以為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)提供污染物的精確數(shù)據(jù)，為防控做數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)污染物減排和綠色生產(chǎn)；同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)污染監(jiān)控中的具體應(yīng)用，符合國家支持發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的政策。因此設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)管系統(tǒng)具有重要實(shí)際意義。

l 基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，主要對(duì)系統(tǒng)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行規(guī)劃。

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)施的目標(biāo)是建立一個(gè)覆蓋工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)廢氣智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制系統(tǒng)，主要包括3個(gè)方面：基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)廢氣的采集、基于云計(jì)算平臺(tái)的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和快速處理、基于數(shù)據(jù)挖掘的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的智能處理。

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣智能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在工廠區(qū)域內(nèi)，通過部署大規(guī)模多類型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，來感知多種類型的工業(yè)廢氣的狀況，如CO、SOx、NOx等污染氣體的濃度等。無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee協(xié)議自組織形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的廢氣數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。工廠區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和Internet上傳到云計(jì)算平臺(tái)。云計(jì)算平臺(tái)對(duì)采集得到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并利用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的規(guī)律，為廢氣治理和管控提供決策依據(jù)。云計(jì)算存儲(chǔ)的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)和通過數(shù)據(jù)處理算法處理的結(jié)果，可以通過Internet向普通的用戶提供查詢和預(yù)警服務(wù)。普通用戶既可以采取有線PC聯(lián)網(wǎng)的方式訪問，也可以使用手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)終端通過3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)訪問相關(guān)服務(wù)。即云計(jì)算平臺(tái)可以向用戶提供應(yīng)用服務(wù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中，采用無線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)分為處理器模塊、能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊，如圖2所示。

在處理器模塊和無線收發(fā)模塊方面，采用美國德州儀器公司研發(fā)的Zigbee射頻芯片CC2530。由于CC2530芯片是一種片上系統(tǒng)，內(nèi)部集成了51單片機(jī)內(nèi)核和一個(gè)射頻模塊，則將處理器模塊和無線收發(fā)模塊兩者進(jìn)行了集成。能量供應(yīng)模塊采用3節(jié)1.5V的電池為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電。由于工業(yè)廢氣涉及的種類較多，如C0、SOx、NOx等。傳感器模塊方面，考慮在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上搭載至少3種類型的傳感器，如一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上搭載CO傳感器、NO傳感器、S02傳感器，通過增加單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上傳感器的數(shù)量和種類，提高傳感器節(jié)點(diǎn)的使用效率。

CC2530的射頻模塊遵循Zigbee協(xié)議，則無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以通過Zigbee協(xié)議白組織形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的廢氣數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再發(fā)給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將受到的廢氣感知數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)給連接Intemet的云計(jì)算平臺(tái)。

2.2 面向工業(yè)廢氣監(jiān)控的云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

云計(jì)算平臺(tái)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，直接與用戶的應(yīng)用相關(guān)。云計(jì)算平臺(tái)，既可以依據(jù)企業(yè)需求，搭建成為一個(gè)工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的私有云，負(fù)責(zé)該企業(yè)內(nèi)部工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；也可以搭建為一個(gè)公有云，建立一個(gè)公共的工業(yè)廢氣存儲(chǔ)和處理的云計(jì)算平臺(tái)，面向眾多的工業(yè)企業(yè)提供服務(wù)。面向物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)的云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

為此，云計(jì)算平臺(tái)采用IaaS的方式構(gòu)建。首先，通過部署相關(guān)的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備，搭建底層硬件平臺(tái)。然后，通過計(jì)算資源虛擬化、存儲(chǔ)資源虛擬化和網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)資源的虛擬化管理，構(gòu)成云計(jì)算IaaS平臺(tái)。

在IaaS云計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)上，構(gòu)建工業(yè)廢氣存儲(chǔ)服務(wù)和工業(yè)廢氣大數(shù)據(jù)服務(wù)，向應(yīng)用層提供服務(wù)。這些服務(wù)，向用戶屏蔽了工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理細(xì)節(jié)，用戶可以直接通過云計(jì)算平臺(tái)提供的相關(guān)服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)的各種訪問和使用。

工業(yè)廢氣感知數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)由相應(yīng)的云計(jì)算存儲(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)，大數(shù)據(jù)處理服務(wù)可以對(duì)采集得到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)，依據(jù)一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，分析工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)中的規(guī)律和深層次的知識(shí)，為用戶改進(jìn)生產(chǎn)工藝、減少廢氣排放提供決策建議和依據(jù)。

而用戶訪問云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)的方式，可以通過傳統(tǒng)的PC連接Internet的方式訪問，也可通過平板電腦或手機(jī)連接3G/4G等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的方式訪問，從而豐富和便利用戶的使用和訪問。

3 結(jié)束語

本文提出將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合，并應(yīng)用到工業(yè)企業(yè)的廢氣監(jiān)測(cè)中。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集和傳輸工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的廢氣情況。云計(jì)算平臺(tái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)采集得到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)挖掘，為工業(yè)企業(yè)進(jìn)行廢氣監(jiān)管和減排提供決策建議和依據(jù)。該系統(tǒng)可以提高工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)工業(yè)廢氣監(jiān)管的自動(dòng)化和智能化水平，對(duì)促進(jìn)工業(yè)企業(yè)減少污染氣體排放、實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)具有重要意義。