化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

潘星宏 項(xiàng)明曦

摘要：針對(duì)化工廠環(huán)境監(jiān)測特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結(jié)合的廠內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)類似化工廠等特殊環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);LoRa無線通信;RS485/232有線通信;B/S架構(gòu)

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)工作環(huán)境也提出了越來越高的要求。為了保證工作環(huán)境的舒適度，有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過多傳感器對(duì)室內(nèi)的溫濕度、聲環(huán)境、光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并預(yù)警，設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用ESP8266 Wi-Fi模塊，使用自動(dòng)組網(wǎng)的方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳傳輸，達(dá)到監(jiān)測圖書館環(huán)境參數(shù)的目的。文獻(xiàn)[3]為了避免同信道干擾，將433 MHz頻段傳感器網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款新型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了采用預(yù)警算法來提高環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的準(zhǔn)確性。但目前針對(duì)化工廠的特殊應(yīng)用環(huán)境，市場上暫無完備的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，且環(huán)境監(jiān)測的各個(gè)儀表數(shù)據(jù)獨(dú)立、分散，監(jiān)測數(shù)據(jù)收集效率低，監(jiān)測數(shù)據(jù)少，缺乏代表性，不便于綜合評(píng)估工廠環(huán)境狀況。

針對(duì)化工廠生產(chǎn)環(huán)境對(duì)工人的身體健康影響較大的現(xiàn)狀，本文介紹的化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結(jié)合的方式，將化工廠內(nèi)的氨氣濃度、溫濕度、聲環(huán)境等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，運(yùn)用B/S架構(gòu)展示在Web頁面上，以此達(dá)到提高數(shù)據(jù)收集的高效性和有效性的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架，設(shè)計(jì)了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。感知層中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過各種類型的傳感器進(jìn)行聲環(huán)境、溫度以及氨氣濃度值的實(shí)時(shí)監(jiān)測;網(wǎng)絡(luò)層通過總線形式收集各傳感器數(shù)據(jù)，并將端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至中心節(jié)點(diǎn)集中，然后上傳至云服務(wù)器;應(yīng)用層運(yùn)用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看與監(jiān)控[5]。

化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)器等組成。為了方便化工廠房內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集，將傳統(tǒng)的RS485/232有線通信與LoRa無線通信方式相結(jié)合。LoRa無線通信技術(shù)是采用跳頻擴(kuò)頻的無線通信技術(shù)，在信號(hào)接收靈敏度、鏈路預(yù)算、覆蓋范圍、傳輸速度、抗干擾能力方面均優(yōu)于現(xiàn)在常用的Sigfox、LTE-M、Zigbee等無線通信技術(shù)[6]，可達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、提高容錯(cuò)率的效果。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

匯聚節(jié)點(diǎn)使用4G/Wi-Fi接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至云服務(wù)器，同時(shí)控制終端可以查詢和設(shè)置服務(wù)器上的各項(xiàng)參數(shù)，以此達(dá)到監(jiān)測的目的。

2 系統(tǒng)硬件介紹

本系統(tǒng)選用有線和無線結(jié)合方式，監(jiān)測儀器與數(shù)據(jù)采集器之間使用RS485/232總線方式連接，數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間使用遠(yuǎn)距離無線傳輸（LoRa）方式連接。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示，高精度固定式氨氣檢測儀、WBGT熱指數(shù)監(jiān)測儀和噪聲統(tǒng)計(jì)分析儀檢測當(dāng)前車間環(huán)境數(shù)據(jù)，通過RS485/232總線將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器后，用LoRa無線連接到數(shù)據(jù)集中器，最終數(shù)據(jù)集中器通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至云端。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? ?軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為五大層次，包括數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)通信層。

（1）數(shù)據(jù)通信層：分布在化工廠的多個(gè)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、分析，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)封裝后等待發(fā)送。數(shù)據(jù)通信層主要將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）監(jiān)測站采集到的待發(fā)送的質(zhì)量監(jiān)測封包數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)通信服務(wù)器上，然后按照指定的歸并規(guī)則將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解包與壓縮，最后將合并結(jié)果上傳到分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要提供原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理功能，通過將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HDFS中，不僅保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高可靠性、高可擴(kuò)展性，還充分利用了HDFS在海量數(shù)據(jù)上的存儲(chǔ)、備份、管理優(yōu)勢。數(shù)據(jù)的管理主要通過HDFS提供的各類文件操作接口實(shí)現(xiàn)具體的文件管理功能。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和分布式數(shù)據(jù)庫HBase設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL提供的強(qiáng)大SQL查詢語言以及數(shù)據(jù)多維分析能力，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析與多維展示最近一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層主要包括基于HBase的數(shù)據(jù)訪問和基于MySQL的數(shù)據(jù)訪問，其中通過HBase的數(shù)據(jù)訪問方式可以訪問所有歷史時(shí)期的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄，而通過MySQL的數(shù)據(jù)訪問方式只能訪問到當(dāng)前MySQL存儲(chǔ)的近期監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄。

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：面向終端用戶提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢分析展示功能。數(shù)據(jù)查詢功能根據(jù)監(jiān)測站點(diǎn)、監(jiān)測起始時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢;對(duì)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、綜合計(jì)算，得出相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示，趨勢預(yù)測根據(jù)積累的監(jiān)測大數(shù)據(jù)繪制出各個(gè)監(jiān)測指標(biāo)的變化趨勢圖，從中分析環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)的變化趨勢，研究變化規(guī)律。選擇一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)、指定歷史記錄數(shù)據(jù)的起始時(shí)間、一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測因素進(jìn)行趨勢預(yù)測;超標(biāo)報(bào)警功能是對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特殊情況進(jìn)行報(bào)警提示，其中需要報(bào)警的情形包括：監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值超過標(biāo)準(zhǔn)值、監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差及邏輯關(guān)系出現(xiàn)異常、預(yù)測趨勢指明異常。如果發(fā)現(xiàn)某指標(biāo)超標(biāo)則觸發(fā)報(bào)警，并在地圖上顯示超標(biāo)位置。同時(shí)，可以設(shè)置監(jiān)測時(shí)間、報(bào)警級(jí)別、自動(dòng)監(jiān)測站名稱，查詢報(bào)警信息?；S布局圖如圖4所示，地圖上紅色閃爍標(biāo)識(shí)為報(bào)警監(jiān)測站點(diǎn)，點(diǎn)擊監(jiān)測站點(diǎn)便可了解詳細(xì)信息。

3.2 ? ?服務(wù)器設(shè)計(jì)

上位機(jī)與中央服務(wù)器之間的指令、狀態(tài)、信息傳遞通過通信長連接傳輸，傳輸完畢后關(guān)閉鏈路，中央服務(wù)器的Netty框架在3333端口提供該服務(wù)。上位機(jī)與中央服務(wù)器之間的文件傳輸通過http協(xié)議傳輸，中央服務(wù)器的Jfinal Java Web服務(wù)在8080號(hào)端口上提供服務(wù)。中央服務(wù)器與采集站之間的指令、狀態(tài)、信息傳輸利用Netty框架的ChannelHandlerAdapter作為客戶端向采集網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端發(fā)送通信長連接請(qǐng)求，可配置采集站的服務(wù)器端口號(hào)。中央服務(wù)器與采集網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸依托于各種硬件接口，使用json協(xié)議，涉及文件傳輸使用文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP），中央服務(wù)器利用FTP服務(wù)發(fā)起文件傳輸請(qǐng)求，采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的FTP服務(wù)在21端口號(hào)上提供服務(wù)。該系統(tǒng)使用Shiro作為權(quán)限管理框架，處理身份認(rèn)證、授權(quán)和加密，同時(shí)使用安全套接層（Secure Sockets Layer，SSL）和傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）為用戶提供安全的數(shù)據(jù)訪問和網(wǎng)絡(luò)通信。

4 結(jié)語

本文針對(duì)化工廠環(huán)境監(jiān)測難的問題，設(shè)計(jì)了一款新型的基于RS485/232有線通信的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，添加了LoRa無線通信功能，為了方便監(jiān)測，軟件服務(wù)采用了B/S架構(gòu)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，使得監(jiān)測到的數(shù)據(jù)多且具普遍性，同時(shí)減少了收集數(shù)據(jù)過程中的人力、物力投入。

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收稿日期：2020-04-28

作者簡介：潘星宏（1998—），女，四川成都人，研究方向：通信與傳感技術(shù)。