基于智慧化工廠建設(shè)的感知層技術(shù)研究

王沖,張春迎

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，天津 300402）

物聯(lián)網(wǎng)通常分為三層，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層相當(dāng)于人的皮膚和五官，各種各樣的傳感技術(shù)像人的五官一樣可以感受周圍環(huán)境的變化，因此傳感器又被人們稱為電五官。感知層進(jìn)行信息的采集，可以應(yīng)用的技術(shù)包括條碼和掃描器、智能卡、RFID 電子標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器，其中條碼和RFID 標(biāo)簽顯示身份，傳感器捕捉信息狀態(tài)，攝像頭記錄圖像，GPS 進(jìn)行跟蹤定位，最終實(shí)現(xiàn)識(shí)別物體、采集信息的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的識(shí)別與辨別、定位及狀態(tài)和環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)信息。本文提出將物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)應(yīng)用于智慧化工廠建設(shè)中，提高安全生產(chǎn)和安全管理并加強(qiáng)智慧工廠的建設(shè)[1]。

1 智能傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

智能傳感器（Smart Sensor）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，以傳統(tǒng)的傳感器與微處理器結(jié)合起來(lái)的方式進(jìn)行制造生產(chǎn)，微處理器可以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理[2～7]，然后把處理結(jié)果發(fā)送給主機(jī)或者反饋給管理人員。智能傳感器可以顯著減小傳感器與主機(jī)之間的通信量，并簡(jiǎn)化不同傳感器集合的系統(tǒng)。已經(jīng)實(shí)用化的智能傳感器有：智能壓力傳感器、智能溫濕度傳感器、智能流量傳感器、智能加速度傳感器、智能檢測(cè)傳感器、智能位置傳感器等。智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

通過(guò)在環(huán)境中部署傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，如可燃?xì)怏w濃度，溫濕度、光照度等信息，終端也可部署攝像頭等采集圖片視頻信息，通過(guò)有線和無(wú)線技術(shù)連接到網(wǎng)關(guān)上，將感知層的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到應(yīng)用層，感知層也可部署各類執(zhí)行器，一旦發(fā)生安全事件，可以一鍵操作，快速執(zhí)行，如報(bào)警器、一鍵斷電、一鍵報(bào)警等設(shè)施，可從源頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于底層部署傳感器數(shù)量多，傳感器采集數(shù)據(jù)量大，因此智能傳感器網(wǎng)中采用工業(yè)級(jí)的高性能交換機(jī)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承?、?shí)時(shí)性、不卡頓，骨干環(huán)網(wǎng)采用千兆級(jí)別網(wǎng)絡(luò)，保障網(wǎng)絡(luò)暢通、數(shù)據(jù)暢通。網(wǎng)絡(luò)可采用的有線技術(shù)有485 總線，232 總線，可采用的無(wú)線技術(shù)有ZigBee，BasicRF，NB-IOT,Lora 等多種有線無(wú)線通訊技術(shù)[8～11]。

2 智慧化工廠建設(shè)

化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的重要組成部分，化工業(yè)占比接近國(guó)民生產(chǎn)總值的1/5，隨著生產(chǎn)量的增加，化工廠的安全事故頻發(fā)，因此加強(qiáng)化工廠的安全生產(chǎn)刻不容緩。通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于化工廠，可以提高化工廠的智能化水平，方便并提高化工廠的安全生產(chǎn)。

智慧化工廠通過(guò)感知技術(shù)可以獲取生產(chǎn)設(shè)施的各種信息，如狀態(tài)信息、溫度信息、氣體濃度信息。化工廠的智能建設(shè)主要由監(jiān)測(cè)部分、自動(dòng)報(bào)警部分和聯(lián)動(dòng)控制部分組成[12]。

監(jiān)測(cè)部分負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)容易發(fā)生生產(chǎn)安全事件的重點(diǎn)部位，如存放易燃易爆的存儲(chǔ)罐、?；穾?kù)房、電器設(shè)備車間等。甚至危險(xiǎn)級(jí)別不高的部位也需監(jiān)測(cè)，因?yàn)榛げ牧系奶厥庑钥梢詴?huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，危險(xiǎn)級(jí)別不高的材料如果存儲(chǔ)不安全也可帶來(lái)巨大的安全隱患。在易燃易爆的存儲(chǔ)罐中部署壓力傳感器，監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)罐中的壓力，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給管理者，如果壓力過(guò)大，超過(guò)設(shè)定的預(yù)警值，會(huì)產(chǎn)生警報(bào)并通過(guò)聯(lián)合控制打開泄氣閥門，降低存儲(chǔ)罐中的壓力。在易燃易爆的危險(xiǎn)品庫(kù)房安裝攝像頭和溫濕度傳感器、煙霧傳感器，可以檢測(cè)庫(kù)房的危化品狀態(tài)，由于?；穼?duì)溫度濕度信息比較敏感，如果環(huán)境值超過(guò)預(yù)警值，會(huì)觸發(fā)報(bào)警開關(guān)，將危險(xiǎn)信息發(fā)送給管理平臺(tái)或管理者的手機(jī)，通知管理者迅速處理，還可以通過(guò)人工或者聯(lián)動(dòng)控制模塊自動(dòng)處理，將危險(xiǎn)因素盡快消除。在管理端有對(duì)應(yīng)的管理者平臺(tái)軟件，不僅可以看到傳感器傳上來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還對(duì)應(yīng)云平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，云平臺(tái)不僅可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)顯示傳感器的數(shù)據(jù)，還可以設(shè)定網(wǎng)頁(yè)自動(dòng)刷新時(shí)間，數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生安全事件可以做到數(shù)據(jù)追蹤溯源，方便查改。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

模擬仿真實(shí)驗(yàn)采用Lora 長(zhǎng)距離低功耗通信技術(shù)進(jìn)行溫濕度和光照度的采集，三個(gè)Lora 模塊搭建起LoraWAN 網(wǎng)絡(luò)，圖2 中左一lora 模塊為溫濕度采集模塊，左二模塊為lora 光照度采集模塊，右一模塊為lora 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)模塊通過(guò)232 線連接到云平臺(tái)網(wǎng)關(guān)，搭建云平臺(tái)lora 平臺(tái)，并且通過(guò)新大陸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給網(wǎng)關(guān)和各模塊供電，實(shí)驗(yàn)效果如圖2 所示。

圖2 lora 模塊實(shí)驗(yàn)仿真

圖3 云平臺(tái)數(shù)據(jù)

云平臺(tái)數(shù)據(jù)上傳圖如圖3 所示：網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)設(shè)定每5S 刷新一次。

4 結(jié)論

無(wú)論是企業(yè)的安全生產(chǎn)還是學(xué)校的學(xué)習(xí)生活對(duì)于人們來(lái)說(shuō)都是十分重要的，安全始終都是底線，不可觸碰，本文提出將物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)應(yīng)用到智慧化工廠系統(tǒng)建設(shè)中，給出了智慧化工廠建設(shè)模型，通過(guò)在重點(diǎn)領(lǐng)域部署各種傳感器，利用多種網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)加強(qiáng)安全生產(chǎn)區(qū)域的管理和監(jiān)督，提高了安全管理人員對(duì)化工廠安全工作的效率和質(zhì)量，而仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了方案的有效性。