基于云平臺的棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

蔣子琦 張正華 韓春陽 楊冬晗 崔瀟 葛偉楠 肖哲倫

摘要：針對棉紡行業(yè)生產(chǎn)過程中各種參數(shù)的采集、傳輸、Oracle數(shù)據(jù)庫以及用戶平臺的搭建展開深入研究，在現(xiàn)有棉紡防火技術(shù)的基礎(chǔ)上，對棉紡車間可能出現(xiàn)的一系列危險隱患進行了仿真，提出一種基于云平臺的棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)。運用云計算的優(yōu)勢，實時監(jiān)控和更新棉紡企業(yè)工廠環(huán)境以及機器的狀態(tài)，優(yōu)化報警系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，以推動我國棉紡企業(yè)生產(chǎn)安全裝備的技術(shù)進步和紡織行業(yè)的行業(yè)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：棉紡防火；云計算；安全系統(tǒng)

中圖分類號：TP399文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）01-58-4

0引言

紡織行業(yè)是我國傳統(tǒng)行業(yè)之一。長期以來，我國的棉紗、紗布、絲制品、化纖和服裝生成量等各項均居世界第一[1]。但是總體來看，中國紡織行業(yè)面臨著技術(shù)裝備落后、處在產(chǎn)業(yè)鏈低端等問題[2]。而科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展為紡織產(chǎn)業(yè)內(nèi)的升級起到了重要作用[3-4]。

棉紡企業(yè)作為紡織行業(yè)中的生產(chǎn)巨頭，是生產(chǎn)過程中的中堅力量和中心環(huán)節(jié)。而火災(zāi)是棉紡企業(yè)生產(chǎn)中最怕出現(xiàn)的問題，紡織車間在清花、梳聯(lián)過程中會產(chǎn)生大量的花絮和棉塵著火點低，一旦遇到微小火星便會引發(fā)大火。因此，必須在棉紡生產(chǎn)工序中對棉紡進行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生[5]。

目前，通過在設(shè)備上安裝傳感器采集設(shè)備數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，再由數(shù)據(jù)庫連接至網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“物物相連”是可行的。在傳統(tǒng)的棉紡防火設(shè)備中，均只能現(xiàn)場檢測火警，一旦火花探除器本身出現(xiàn)問題或需要維護時，需要調(diào)試工作人員到現(xiàn)場進行工作，有時候會造成資源浪費，而國外的同類棉紡防火設(shè)備均未安裝帶有遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置。

本文基于云平臺的棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)，傳感器采集紡織企業(yè)現(xiàn)場的工作數(shù)據(jù)，通過云端實時地對大量數(shù)據(jù)進行計算，分析各個設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而能夠及時地將情況反饋給用戶，并提供設(shè)備運行維護建議等[6]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

前端通過電感線圈探測金屬，紅外探測器測火星以及探測器本身的工作狀態(tài)（電源工作狀態(tài)、自檢情況、報警次數(shù)以及其他用戶需要獲得的數(shù)據(jù)），將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)，重新打包分裝，通過接口傳至網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)傳輸至企業(yè)內(nèi)部用戶服務(wù)器和交換機服務(wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)分類清洗之后存入Oracle數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)通過交換機服務(wù)器建立的數(shù)據(jù)庫傳至云平臺進行數(shù)據(jù)分析從而生成大數(shù)據(jù)。棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)的整體模型如圖1所示。

2硬件設(shè)計

棉紡防火安全服務(wù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊和報警模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊又由三相數(shù)據(jù)采集模塊和溫濕度傳感器組成。

2.1三相數(shù)據(jù)采集電路

本電路采用的是三相電壓、電流變送器，其功能主要是按比例將高電壓變?yōu)榈碗妷?、大電流變?yōu)榈碗妷?，其中，三相電壓變送器的輸入電壓范圍?～500 V，輸出電壓范圍是0～5 V；三相電流變送器的輸入范圍是0～25 A，輸出范圍是0～5 V，不容易受寄生熱電偶、電阻壓降和溫度漂移的影響。

2.2溫濕度采集模塊

本模塊使用的是數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，具有溫濕度一體化、單總線結(jié)構(gòu)的特點，由NTC測溫元件和電阻式測濕元件組成。該傳感器具有以下性能指標：工作電壓為3.5～5.5 V，平均工作電流為0.5 mA，溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為20%～90%RH，很好地滿足了棉紡車間的溫濕度測量要求。

2.3數(shù)據(jù)采集處理電路

數(shù)據(jù)的處理控制器選用的是STM32F4單片機，具有功率低，接口豐富的優(yōu)點。采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器，運行速度快。傳感器通過單片機控制，把環(huán)境參數(shù)進行實時采集，然后傳送到控制器中，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，進行處理，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的空氣溫度、濕度。三相數(shù)據(jù)采集電路實時獲取電壓電流數(shù)值，比例降壓后輸入到單片機中，單片機通過ADC采樣，寄存器配置連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，經(jīng)換算處理顯示機器的電壓電流，對機器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

2.4報警電路

設(shè)計中，在控制器中設(shè)置了溫度、濕度、三相電壓和三相電流的上下限報警值，當系統(tǒng)檢測到環(huán)境參數(shù)或者機器參數(shù)大于或者小于控制器給出的上下限報警值時，系統(tǒng)就會發(fā)出警報信號，提醒工作人員對異常情況進行處理。

2.5 nRF24L01無線通信模塊

nRF24L01是一款單片射頻收發(fā)器件，工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段。設(shè)計中使用STM32的SPI1接口驅(qū)動nRF24L01，通過配置STM32的SPI1接口，實現(xiàn)nRF24L01模塊數(shù)據(jù)讀寫操作，通過設(shè)置nRF24L01模塊的收發(fā)模式，實現(xiàn)對溫濕度、三相電壓和電流數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF24L01功耗低、低功率工作模式多樣，符合節(jié)能的設(shè)計。

3軟件設(shè)計

Web網(wǎng)頁端與安卓移動端實現(xiàn)客戶的遠程登錄，查詢機器的基本情況、工廠的環(huán)境情況以及機器報警情況。數(shù)據(jù)將通過圖表、文字等多種方式呈現(xiàn)。當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或超出正常標準，系統(tǒng)會及時做出警報。同時，系統(tǒng)還會根據(jù)近期數(shù)據(jù)，為用戶提供合理、專業(yè)的建議。

3.1 Oracle數(shù)據(jù)庫搭建

在接收到數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)庫根據(jù)要求分類存儲，同時也能用于將數(shù)據(jù)進行必要的查詢與顯示。以下為數(shù)據(jù)庫的4個表：

userland表為用戶登錄表，主要用來存儲用戶的登錄ID、登錄密碼以及用戶詳細信息；

machine表為探除器信息表，主要用來存儲火花探除器的基本信息數(shù)據(jù)；

selfcheck表為自檢表，主要用來存儲火花探除器自檢反饋情況的信息數(shù)據(jù)；

conditionmonitor表為狀態(tài)監(jiān)控表，主要用來存儲火花探除器的電壓、電流，周圍環(huán)境的溫度、濕度以及機器的報警次數(shù)等信息數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫的e-r模型如圖2所示。

3.2 Web網(wǎng)頁端及安卓軟件開發(fā)

Web網(wǎng)頁開發(fā)采用B/S結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面通過瀏覽器來實現(xiàn)。利用HTML語言與CSS樣表，通過表單元素來設(shè)計登錄、注冊、查找和顯示界面的設(shè)計，完成對界面的優(yōu)化；利用PHP技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁，完成網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫的連接，通過表單的提交，對數(shù)據(jù)庫進行訪問，完成對用戶數(shù)據(jù)以及機器監(jiān)控數(shù)據(jù)的添加、刪除和查找。

安卓軟件開發(fā)則在Android Studio平臺上進行。編寫程序使得所開發(fā)APP可以實現(xiàn)通過WiFi或運營商網(wǎng)絡(luò)與SQL數(shù)據(jù)庫連接并接收下載數(shù)據(jù)，再設(shè)計APP界面，優(yōu)化后實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)在移動設(shè)備上的呈現(xiàn)，從而完成對機器的遠程監(jiān)控以及報警。

3.3基于Hadoop的云平臺搭建與管理

由于國內(nèi)棉紡廠家分布廣、數(shù)量多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)數(shù)量龐大且雜亂，并且在接收到大量數(shù)據(jù)后，需要系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行清洗、分類和存儲。將分析過后的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，并能夠根據(jù)實際情況為用戶提供專業(yè)合理的建議。數(shù)據(jù)庫并不能夠支撐起如此大量的數(shù)據(jù)處理與分析，系統(tǒng)引入了基于Hadoop的云平臺用于處理解決這一問題。Hadoop是由Apache所開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，具有可靠性高、可擴展性好、性價比高和靈活等的特點。在這里，主要運用到了HDFS（Hadoop Distributed File System），HBase（Hadoop Database），Hive。

HDFS用于數(shù)據(jù)文件的存儲。HBase建立分布式的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，用于解決海量數(shù)據(jù)的存儲。Hive作為數(shù)據(jù)倉庫工具，則為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)整合、查詢和分析的功能。借此，系統(tǒng)既可以對實時的數(shù)據(jù)進行分析，并予以及時的報警或提示，又能夠?qū)Ψ菍崟r的數(shù)據(jù)進行分析，提出合理建議優(yōu)化產(chǎn)品和客戶體驗。同時，基于Hadoop的云平臺服務(wù)系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的安全性有保障，從而可以保護客戶的數(shù)據(jù)不外泄、不丟失并減少出錯。

4仿真結(jié)果與分析

根據(jù)《紡紗車間溫濕度控制標準》，得出的有關(guān)溫濕度的要求信息如表1所示。將用于梳棉、并粗和精梳車間的探測器的春秋季溫度范圍定為24～30℃，相對濕度定為52%～56%；夏季溫度的范圍定為27～32℃，相對濕度定為52%～60%；冬季溫度的范圍定為22℃～28℃，相對濕度定為53%～57%。

在同一工作環(huán)境中，從機采集機器工作三相電壓、三相電流和報警次數(shù)發(fā)送給主機。主機采集機器工作三相電壓、三相電流、報警次數(shù)以及環(huán)境溫度、濕度，同時接收從機傳送的數(shù)據(jù)，如圖3所示，置于溫度為27℃，相對濕度為59%，符合標準。仿真結(jié)果正確。

主機接收到從機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后，與本身測得的數(shù)據(jù)一起打包封裝，并通過GPRS進行數(shù)據(jù)包發(fā)送，如圖3（a）的主機界面所示，數(shù)據(jù)已成功發(fā)送。云平臺通過監(jiān)聽指定端口抓取數(shù)據(jù)包并進行保存，如圖4所示，成功抓取數(shù)據(jù)包并保存進數(shù)據(jù)庫，仿真結(jié)果正確。

5結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹了基于云平臺的棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)成。實時地監(jiān)控系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)極大程度上降低了在發(fā)生意外情況時的損失；數(shù)據(jù)的存儲與分析為客戶提供了功能工廠環(huán)境與機器本身長期的詳細信息，再結(jié)合專業(yè)的建議減少了事故發(fā)生的幾率；基于云平臺的服務(wù)系統(tǒng)很好地解決了由于國內(nèi)棉紡廠家分布廣、數(shù)量多而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)量龐大且雜亂的問題?；谠破脚_的棉紡防火安全服務(wù)系統(tǒng)具有低成本、高效益的優(yōu)勢，同時，還擁有極大的應(yīng)用前景以及成長空間。

參考文獻

[1]陳剛.南通紡織工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].南京：南京理工大學(xué)， 2008.

[2]閻迪，李小蘭.我國棉紡織行業(yè)智能化發(fā)展的幾點思考[J].棉紡織技術(shù)，2018，46（4）：74-78.

[3]王春娥，肖琴.自動化智能化新技術(shù)在紡織企業(yè)的應(yīng)用[J].棉紡織技術(shù)，2016，44（7）：81-84.

[4] Xuan S，Xiao M Y.Study on the Importance of Textile Industry[J].Advanced Materials Research，2014，3569（1048）：151-159.

[5]楊海亮.安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)助力棉紡企業(yè)防火[J].中國消防，2012（16）：49.

[6]袁春園.基于Hadoop云計算平臺的數(shù)據(jù)挖掘分析[J].信息與電腦（理論版），2015（15）：58-59.