基于阿里云的工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常國鋒,許利軍

(1.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003;2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

0 引言

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢氣排放量逐年增加，工業(yè)廢氣含有一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、煙塵等有毒成分，對環(huán)境造成污染，嚴(yán)重威脅人們的健康[1-3]。如何排除地域限制，并對企業(yè)排放的工業(yè)廢氣進(jìn)行監(jiān)督成為了一個必要的問題[4]。目前，大部分工廠依然采用人工監(jiān)測的方法對工業(yè)廢氣進(jìn)行定時(shí)測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測量誤差大，而且不利于相關(guān)部門對企業(yè)排放廢氣是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行監(jiān)督[5]。因此，設(shè)計(jì)了一套基于阿里云的工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)對工廠排放的工業(yè)廢氣進(jìn)行連續(xù)測量，測量誤差小，通過互聯(lián)網(wǎng)將測量的數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面上顯示，不受地域限制，可以隨時(shí)隨地對工廠排放的廢氣成分進(jìn)行查看。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖1所示。系統(tǒng)由工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊、云平臺服務(wù)器模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊組成。其中，工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊是以STM32F103單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、溫濕度等進(jìn)行監(jiān)測，包括氣體傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等多種傳感器，采用多傳感器信息融合技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并將數(shù)據(jù)經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云平臺服務(wù)器模塊，工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊與云平臺服務(wù)器模塊通過無線模塊進(jìn)行通訊；云平臺服務(wù)器模塊是基于阿里云進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，在阿里云平臺搭建MySQL數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器，MySQL數(shù)據(jù)庫用來儲存?zhèn)魉偷皆破脚_服務(wù)器的數(shù)據(jù)，ASP.NET屬于.NET框架，由微軟公司開發(fā)，應(yīng)用ASP.NET技術(shù)進(jìn)行Web服務(wù)器的開發(fā)，進(jìn)行HTTP請求的接收，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端網(wǎng)頁的動態(tài)交互；系統(tǒng)在服務(wù)器與客戶端通信架構(gòu)采用B/S架構(gòu)[6]，遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊采用網(wǎng)頁的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢氣的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖1 工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器信號采集電路、模擬量輸入電路、ESP8266無線模塊電路。其中，傳感器信號采集電路包括氣體信號采集電路、煙霧信號采集電路、溫濕度信號采集電路，主要負(fù)責(zé)采集工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、廢氣溫濕度信號數(shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅哪M量信號為0～5 V，STM32F103主控芯片輸入電壓為3.3 V，所以傳感器信號需經(jīng)過模擬量輸入電路進(jìn)行信號放大，才能輸入STM32F103主控芯片A/D引腳，在主控芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理；模擬量輸入電路負(fù)責(zé)將0～5 V電壓信號縮小至0～3.3 V電壓；ESP8266無線模塊負(fù)責(zé)STM32F103主控芯片與云平臺服務(wù)器的通訊。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 氣體信號采集電路

工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用MQ-7一氧化碳傳感器對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量進(jìn)行監(jiān)測。MQ-7利用高低溫循環(huán)進(jìn)行檢測的方法，當(dāng)工業(yè)廢氣溫度較低時(shí)，主要對工業(yè)廢氣中的一氧化碳進(jìn)行檢測，傳感器的電導(dǎo)率隨著工業(yè)廢氣中一氧化碳含量的增加而增大；當(dāng)工業(yè)廢氣溫度較高時(shí)，對低溫吸附的氣體進(jìn)行清洗[7-8]。MQ-7一氧化碳傳感器檢測一氧化碳濃度為10～1 000 ppm，輸出電壓為0～5 V，一氧化碳濃度越高，輸出模擬量電壓越高，其電阻的變化反映了一氧化碳濃度的變化，所以信號采集電路的分壓電路為MQ-7一氧化碳傳感器與電阻進(jìn)行串聯(lián)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出串聯(lián)電阻為20 kΩ輸出效果最佳。

2.2 溫濕度傳感器

因工業(yè)廢氣溫度最高為80 ℃左右，所以系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器對工業(yè)廢氣的溫濕度進(jìn)行測量。HTU21D溫濕度傳感器溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為0～100%，具有測量準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間短、功耗低的特點(diǎn)[9]，與STM32F103主控芯片通過I2C進(jìn)行通訊，HTU21D溫濕度傳感器與主控芯片通訊電路原理圖如圖3所示。

圖3 HTU21D溫濕度傳感器與主控芯片通訊電路原理圖

2.3 煙霧信號采集電路

煙霧檢測模塊以BH1750光照度傳感器為核心對工業(yè)廢氣煙霧濃度進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用BH1750光照度傳感器利用不同煙霧濃度廢氣對光的漫反射率不同進(jìn)行煙霧濃度檢測，當(dāng)煙霧濃度增加時(shí)，光照度減小，反之，光照度增加，光照度檢測范圍為11～-65 536 lx。BH1750光照度傳感器與STM32F103主控芯片通過I2C進(jìn)行通訊。

2.4 模擬量輸入電路

本系統(tǒng)采用LM324放大器對輸入的模擬量信號進(jìn)行放大，其電路原理圖如圖4所示。采用輸入輸出雙二極管鉗位電路設(shè)計(jì)，保證輸入到STM32F103主控芯片的電壓保持在0～3.3 V之間。

圖4 模擬量輸入電路原理圖

2.5 無線模塊

在控制系統(tǒng)中，采用ESP8266模塊進(jìn)行各個功能模塊與主控芯片的數(shù)據(jù)傳輸，模塊內(nèi)置32位的ESP32MCU、TCP/IP通信協(xié)議棧，能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)或者有TTL電平特征的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線網(wǎng)絡(luò)，從而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，ESP8266無線模塊與主控芯片通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[10-12]。本監(jiān)測系統(tǒng)中將與各個傳感器相連的ESP無線模塊設(shè)置為客戶端，將主控模塊的ESP8266無線模塊設(shè)置為服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)各個傳感器模塊與主控模塊的數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266無線模塊的外圍電路如圖5所示。

圖5 ESP8266無線模塊的外圍電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置，包括工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)、云平臺服務(wù)器模塊程序設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊程序設(shè)計(jì)。

3.1 工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊

工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)包括傳感器數(shù)據(jù)采集、傳感器數(shù)據(jù)處理、ESP8266無線模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序等。工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊首先是系統(tǒng)上電并進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，系統(tǒng)初始化完成之后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理，通過串口將處理之后的數(shù)據(jù)從STM32F103主控芯片發(fā)送到ESP8266無線模塊，最終將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云平臺服務(wù)器模塊，在系統(tǒng)沒有停止信號時(shí)，重復(fù)以上動作。工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 云平臺服務(wù)器模塊

云平臺服務(wù)器模塊選擇B/S架構(gòu)作為遠(yuǎn)程客戶端與服務(wù)器之間通信的開發(fā)架構(gòu)[13-14]，主要包括數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)在MySQL數(shù)據(jù)庫中保存、提取，與遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊數(shù)據(jù)的交互等。當(dāng)云平臺服務(wù)器接收到工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，并將保存的數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面上顯示，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的數(shù)據(jù)交互。云平臺服務(wù)器模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 云平臺服務(wù)器模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊程序設(shè)計(jì)采用HTML5+CSS3+JavaScript進(jìn)行客戶端界面的開發(fā)，在HTML5基礎(chǔ)上，利用CSS3實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)樣式設(shè)計(jì)，美化界面，利用JavaScript實(shí)現(xiàn)界面的動態(tài)特性，使客戶端界面在滿足最基本的監(jiān)控要求的基礎(chǔ)上，界面更加美觀。遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端包括系統(tǒng)登錄界面、系統(tǒng)簡介、個人中心、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊整體框圖如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端模塊整體框圖

4 系統(tǒng)測試

在工業(yè)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室搭建系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)平臺對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。

4.1 無線模塊性能測試

在對系統(tǒng)中，利用串口調(diào)試助手對ESP8266無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)ESP8266無線模塊與路由器的通訊，ESP8266無線模塊調(diào)試成功界面如圖9所示。

圖9 ESP8266無線模塊調(diào)試成功界面

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端性能測試

本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端為網(wǎng)絡(luò)界面，經(jīng)過性能測試，遠(yuǎn)程客戶端可以滿足工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求。每隔1 h對工業(yè)廢氣進(jìn)行1次測量，通過對比標(biāo)準(zhǔn)儀器與本系統(tǒng)采集的一氧化碳含量值等，對系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

由表1可知，通過對5個時(shí)間點(diǎn)的測量，CO含量測量相對誤差最大為0.27%，煙霧濃度相對誤差最大為0.49%，廢氣溫度測量相對誤差最大為0.06%，廢氣濕度相對誤差最大為0.14%。則系統(tǒng)最大測量誤差為0.49%，滿足系統(tǒng)1%測量精度需求。

5 結(jié)束語

本文提出了基于阿里云的工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將云平臺技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并在工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用。系統(tǒng)通過傳感器對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、溫濕度等進(jìn)行監(jiān)測，測量精度高達(dá)0.49%，通過ESP8266無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺服務(wù)器，將數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端的數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢氣的遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，數(shù)據(jù)測量精度、數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性均滿足要求。