基于云計算技術(shù)的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

趙英　王蓉

摘 要 針對目前環(huán)境檢測控制的本地控制弊端，提出利用云計算服務(wù)平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程智能環(huán)境監(jiān)控。通過傳感器實時采集室內(nèi)的氣壓、溫度等被檢測量，當(dāng)某一個參數(shù)被探測為超出標(biāo)準(zhǔn)時，控制系統(tǒng)采用無線通信方式自動控制相應(yīng)的外圍設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的安全防范操作，同時配備手機(jī)APP實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測和控制。測量環(huán)境通風(fēng)范圍0～2m/s。

關(guān)鍵詞 云計算技術(shù) 智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 工業(yè)以太網(wǎng)

0 引言

當(dāng)前，國內(nèi)外對于供電部門、水質(zhì)污染、安全隱患提出了無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，相關(guān)論文較多，但將計算機(jī)、無線通信、智能控制等技術(shù)綜合的運用，做成專用無線自動傳信控制器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測控制中還不多，對企業(yè)生產(chǎn)中煙霧、有毒氣體、風(fēng)速、粉塵等原因造成的環(huán)境污染、資源浪費進(jìn)行自動監(jiān)測的研究和產(chǎn)品更是不多。國外工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控體系對我國工業(yè)生產(chǎn)中起到了推動的作用，也為我國監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了參考作用，但國外環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)均是綜合型體系，這些系統(tǒng)存在如下問題：（1）性價比低，即系統(tǒng)價格過高，難以承受；（2）管理系統(tǒng)軟件在文檔處理上有些不符合中國國情；（3）系統(tǒng)體積、重量比較大；（4）升級維護(hù)困難；（5）管理模式落后。

目前環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬剛剛起步，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測控制僅僅是本地監(jiān)控控制，無法將數(shù)據(jù)匯總到互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中。

本系統(tǒng)完成了從本地監(jiān)測到遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制的一系列功能，未來不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控，也可拓展至工業(yè)室外自然環(huán)境、社區(qū)、家庭、室內(nèi)等多領(lǐng)域應(yīng)用。與傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)境監(jiān)測控制設(shè)備相較，本設(shè)計主要有以下優(yōu)勢：（1）智能控制室內(nèi)環(huán)境的風(fēng)速壓力，不論外部環(huán)境如何改變（例如開窗、開門等操作），系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)風(fēng)速，當(dāng)有人工作時，風(fēng)速會穩(wěn)定在一個安全值，當(dāng)監(jiān)測到廠房沒人時，系統(tǒng)將以一個低功耗模式工作。始終將廠房風(fēng)速維持在一個穩(wěn)定的值，既能保證一個安全的通風(fēng)風(fēng)速，也杜絕了風(fēng)速過大而造成的資源浪費。（2）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅能本地智能控制，而且采用無線通信方式，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。管理人員僅需一臺能上網(wǎng)的電腦，打開瀏覽器就能實現(xiàn)對每一個廠房、每一臺設(shè)備的監(jiān)控以及控制。同時還有配套的手機(jī)APP實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)利用STM32、無線通信、無線傳感TEEN協(xié)議和智能控制等技術(shù)的綜合運用，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計算和模擬仿真核心技術(shù)，研制一套研制工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控和專用軟件系統(tǒng)，在實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場煙霧、有毒氣體、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、粉塵等數(shù)據(jù)的在線檢測、傳信、監(jiān)控、顯示、報警等，并自動控制風(fēng)閥排出有毒氣體、粉塵等，對各個廠房環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)主要由三大部分組成：

（1）端采集設(shè)備：包括粉塵濃度、空氣濕度、有害氣體濃度等各類數(shù)。據(jù)采集終端，由M2M通信模塊將獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到采集設(shè)備。

（2）集中控制器：M2M通信模塊可自動管理終端采集設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點路由；中央處理器模塊完成對傳感器的信息收集、處理，并可根據(jù)預(yù)警模型自動觸發(fā)指令控制外圍設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，信息數(shù)據(jù)展示在控制器液晶屏，并通過RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到指定的遠(yuǎn)程云端管理系統(tǒng)。

（3）基于云計算架構(gòu)的管理系統(tǒng)：可管理多個集中控制器傳送的環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程連接集中控制器實時采集、監(jiān)控、控制不同區(qū)域的各個終端。

2 硬件設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要包括傳感器采集終端和網(wǎng)絡(luò)集中控制器。傳感器采集終端選用溫度、CO氣體、光敏、粉塵濃度、火焰等相應(yīng)的傳感器，各個傳感器分別搭載一個Zigbee節(jié)點模塊作為一個數(shù)據(jù)收集終端設(shè)備，當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)后，由Zigbee節(jié)點模塊上的處理器按照上傳到協(xié)調(diào)器。Zigbee節(jié)點模塊采用STM32F10X片上系統(tǒng)芯片，利用芯片上的A/D模塊和I/O接口與傳感器連接。

為將不同傳感器與CC2530芯片相連，硬件設(shè)計上采用統(tǒng)一的可插拔式模塊化設(shè)計接口：a）可與開關(guān)量傳感器直接相連的IO口；b）可與模擬量傳感器相連的ADC接口；c）I2C接口。

網(wǎng)絡(luò)集中控制器主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊（有線/無線WIFI）。

3 軟件設(shè)計

傳感器采集終端使用TI公司成熟的Zigbee協(xié)議棧Z-Stack，其優(yōu)勢是低功耗狀態(tài)下可實現(xiàn)自組織管理Zigbee網(wǎng)絡(luò)，在同一網(wǎng)絡(luò)中，可借由路由器節(jié)點容納多達(dá)65535個節(jié)點，對于大型的室內(nèi)環(huán)境且傳感器節(jié)點較多的場合非常適用。[1]

如圖2所示為Zigbee網(wǎng)絡(luò)示意圖，其中黑色為協(xié)調(diào)器，紅色為路由器，白色為終端設(shè)備。可見一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)集中管理器作為Zigbee體系的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組建和管理Zigbee體系，并收集環(huán)境數(shù)據(jù)。同時作為上層服務(wù)器應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議格式發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器軟件設(shè)計主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理，包括后臺數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)軟件。應(yīng)用服務(wù)軟件的任務(wù)包括：分析任一節(jié)點上報的傳感器數(shù)據(jù)，與正常范圍進(jìn)行比較，若超出安全閾值則觸發(fā)安全警報；記錄下任一節(jié)點上報的傳感器數(shù)據(jù)，繪制環(huán)境變化曲線圖供用戶查看與分析；控制室內(nèi)的安全措施裝置，包括消防安全水筏、通風(fēng)換氣筏、電器電路系統(tǒng)等。

4 結(jié)語

智能室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)是目前高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品，通過合理地部署傳感器終端采集數(shù)據(jù)，再利用網(wǎng)絡(luò)通信上傳到后臺云服務(wù)器中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)“端-管-云”三個層次的綜合應(yīng)用。系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場的各類煙霧、有毒氣體、粉塵、風(fēng)速等環(huán)境參量進(jìn)行在線檢測、傳信、監(jiān)控、顯示、報警等，設(shè)計出性價比高的各不相同的專用工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，從而形成完整可用的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，具有連續(xù)性、在線性、實時性、唯一性，并能自動傳遞各種檢測信息，傳輸范圍大等特點。滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對環(huán)境信息監(jiān)測的需求，對推進(jìn)環(huán)保、保障人類健康，節(jié)約能源，構(gòu)建和諧社會有著極大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Texas Instruments，Inc.，Z-Stack Developers Guide，2012，Chapter2.