基于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的粉塵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 標(biāo)，黎 冠，賀靖康，卜祥麗，王 迪

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 065201;3. 華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 065201)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度也日益增加，而對(duì)于面粉廠、水泥廠等[1, 2]相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度也急劇增加。粉塵濃度監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的粉塵濃度監(jiān)測(cè)一般通過工作人員在工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)粉塵濃度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，這不僅僅浪費(fèi)了大量的人力，而且還會(huì)造成人員身體健康問題。這種情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)[3]的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)提供了一種更加方便健康的解決方案。其實(shí)現(xiàn)方式為：在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝多個(gè)粉塵傳感器，用于實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)可通過企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或4G無線通信模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆品?wù)器。

與其他設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)一樣，目前粉塵濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要包括B/S模式和C/S模式?；贐/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般有三層：中央服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶端[4]，通過瀏覽器訪問遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是靈活開放，缺點(diǎn)是企業(yè)需要開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，需要專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)，使用成本高?；贑/S模式[5]的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般有兩層，即中心服務(wù)器和客戶端，其優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)器要求低，但后續(xù)維護(hù)成本和工作量大，靈活性差。因此，一些學(xué)者提出了一種混合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[6]。隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算成本明顯下降，大數(shù)據(jù)技術(shù)為宏觀分析和智能決策提供了有力的依據(jù)。同時(shí)，公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[7]的出現(xiàn)也為設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控提供了更好的途徑。因此，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)[8,9]對(duì)粉塵濃度傳感器實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控越來越受到人們的關(guān)注[10]?；谝陨戏治觯槍?duì)現(xiàn)有粉塵濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的不足，結(jié)合目前成熟的物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)技術(shù)，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的粉塵濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。每臺(tái)粉塵濃度傳感器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)備管理人員和技術(shù)人員可通過客戶端訪問云服務(wù)中心，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度傳感器的監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)粉塵監(jiān)控報(bào)警。為粉塵濃度智能遠(yuǎn)程監(jiān)控提供可行的解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的粉塵濃度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、云服務(wù)中心和客戶端組成。通過現(xiàn)場(chǎng)采集裝置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度數(shù)據(jù)的采集，利用網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云服務(wù)中心的相互通信。每臺(tái)粉塵傳感器的數(shù)據(jù)通過企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或4G無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)，并接收物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)布的指令。云服務(wù)中心由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云服務(wù)器組成。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)公共的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度傳感器的運(yùn)行狀態(tài)信息和現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度數(shù)據(jù)的采集。云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析和處理?？蛻舳酥饕善髽I(yè)管理人員和技術(shù)人員使用，包括網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備。本地計(jì)算機(jī)和云服務(wù)器采用B/S結(jié)構(gòu)，即通過PC瀏覽器實(shí)現(xiàn)粉塵監(jiān)控。移動(dòng)設(shè)備主要通過智能手機(jī)APP執(zhí)行粉塵監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)計(jì)

鑒于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集信號(hào)的多樣性，除了開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)外，還需要通過通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，如串行通信，CAN通信，以及通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的通信。因此，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊核心芯片采用STM32F103RCT6微控制器，外設(shè)接口豐富，成本低，功耗低，充分滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和通信的需要。

現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)采集上傳粉塵濃度數(shù)據(jù)，并接收云服務(wù)中心反饋的信息。一般情況下，粉塵濃度傳感器的工作環(huán)境復(fù)雜，要求系統(tǒng)具有可靠性。因此，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同區(qū)域安裝多個(gè)粉塵濃度傳感器，用于檢測(cè)不同生產(chǎn)區(qū)間的粉塵濃度，利用多個(gè)傳感器監(jiān)控實(shí)現(xiàn)冗余，保障監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊，基于STM32系列嵌入式芯片和物聯(lián)網(wǎng)ESP32芯片設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，STM單片機(jī)與ESP32芯片采用串行總線通信?？紤]到如果所有數(shù)據(jù)只由云服務(wù)器存儲(chǔ)和處理，一旦網(wǎng)絡(luò)中斷，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，因此我們選擇同時(shí)使用本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和云服務(wù)器存儲(chǔ)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊通過現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的通信，通過ESP32模塊實(shí)現(xiàn)與企業(yè)路由器或4G路由器的無線通信。通信協(xié)議采用相對(duì)成熟的MQTT協(xié)議，可以將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)快速連接到阿里巴巴云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互通過液晶屏實(shí)現(xiàn)，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各個(gè)粉塵濃度傳感器的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警信息，維護(hù)檢修信息。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊軟件采用C語言開發(fā)。主要包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊五個(gè)部分。系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)上電后的工作參數(shù)設(shè)置；設(shè)備通信模塊采用雙通道設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的冗余備份。網(wǎng)絡(luò)首先選擇企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)路由器。當(dāng)企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換使用4G路由器，可以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不中斷。雙網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定的運(yùn)行。從客戶端能夠及時(shí)了解粉塵傳感器的運(yùn)行情況，縮短故障響應(yīng)時(shí)間，大大提高了運(yùn)維效率。

設(shè)備信息采集和設(shè)備參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)將與MODBUS、CAN、PPI等各種通信協(xié)議兼容，網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以通過物聯(lián)網(wǎng)通信的形式實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的信息交互，物聯(lián)網(wǎng)接入芯片為ESP32芯片，采用串行通信方式與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信。ESP32的詳細(xì)控制流程圖如圖3所示。

圖3 ESP32通信過程流程圖

1.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的訪問

考慮到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，云服務(wù)中心對(duì)基于阿里云的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。當(dāng)然，它也可以基于任何其他物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，如OneNET設(shè)備云。阿里巴巴云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是阿里巴巴公司搭建的開放式物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。它可以為各種設(shè)備提供安全可靠的連接和通信能力，并可以與大量的設(shè)備連接，將收集到的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)到云中，并將數(shù)據(jù)下載到本地進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供云API，主動(dòng)將數(shù)據(jù)推送到其他云平臺(tái)，第三方應(yīng)用可以將推薦數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入流程如圖5所示。用戶在訪問阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之前需要注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)，然后在用戶賬號(hào)下進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制臺(tái)，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制臺(tái)中，可以創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，然后建立設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的連接。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供設(shè)備端SDK。設(shè)備使用SDK與平臺(tái)建立通信。設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，直接將數(shù)據(jù)上報(bào)平臺(tái)。平臺(tái)上的數(shù)據(jù)可以通過HTTP通道傳輸?shù)侥姆?wù)器。第三方服務(wù)器可以通過訪問HTTPSDK來接收設(shè)備數(shù)據(jù)。設(shè)備成功上報(bào)消息后，可以從云端向設(shè)備發(fā)送命令。

圖5 阿里云設(shè)備訪問過程

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與設(shè)備和用戶服務(wù)器的通信方式如圖6所示。本地設(shè)備使用四元組信息通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全驗(yàn)證后，使用MQTT協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信，通過上報(bào)和訂閱物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用四元組信息生成的不同種類的topic，完成上報(bào)數(shù)據(jù)，接收下發(fā)數(shù)據(jù)等功能。通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)協(xié)議AMQP將阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的設(shè)備數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求到業(yè)務(wù)服務(wù)器保存在本地的數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)安全。并通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供云端開發(fā)SDK的相關(guān)API對(duì)我們的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及用戶請(qǐng)求和用戶信息進(jìn)行管理。將相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求到我們的業(yè)務(wù)服務(wù)器后，就可以開發(fā)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)API，響應(yīng)用戶通過手機(jī)APP等客戶端的請(qǐng)求并下發(fā)指定的數(shù)據(jù)。

圖6 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信方式

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開發(fā)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先設(shè)計(jì)開發(fā)了基于STM32的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。然后利用ESP32模塊實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到阿里巴巴物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器。云服務(wù)中心通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)API對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，供設(shè)備管理人員和技術(shù)人員查看和處理?，F(xiàn)場(chǎng)用戶通過手機(jī)客戶端或通過瀏覽器登錄云服務(wù)中心網(wǎng)頁，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度傳感器的運(yùn)行狀態(tài)。

粉塵濃度傳感器與網(wǎng)關(guān)模塊通過串行模塊連接，通信波特率為115200。網(wǎng)關(guān)模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)與云服務(wù)器通信，通過網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備管理人員、技術(shù)人員和云服務(wù)中心。云服務(wù)中心部署在阿里巴巴云上，其操作系統(tǒng)為Windows服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQLServer2008。系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)粉塵濃度傳感器狀態(tài)參數(shù)信息的認(rèn)證、粉塵濃度數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和查詢等功能。

手機(jī)APP端的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP監(jiān)控界面圖片

通過對(duì)系統(tǒng)的驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 盡早發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)粉塵超標(biāo)，可通過遠(yuǎn)程報(bào)警通知設(shè)備管理員，管理員可通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的解決措施，排除工作現(xiàn)場(chǎng)潛在危險(xiǎn)。

(2) 采用多傳感器冗余測(cè)量的方式，能夠準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度，提高設(shè)備的可靠性。

(3) 便于跟蹤粉塵濃度傳感器運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，減少系統(tǒng)故障發(fā)生率。

3 結(jié)論

(1) 本文針對(duì)傳統(tǒng)的粉塵監(jiān)控不能滿足當(dāng)前企業(yè)安全生產(chǎn)信息化的需要，在物聯(lián)網(wǎng)公有云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)粉塵濃度采集系統(tǒng)，利用ESP32模塊，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的粉塵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

(2) 該粉塵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本地狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將粉塵濃度傳感器的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通過云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析和存儲(chǔ)，便于設(shè)備管理員和技術(shù)人員隨時(shí)查看設(shè)備信息及現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度數(shù)據(jù)，有助于提高相關(guān)企業(yè)的安全生產(chǎn)智能監(jiān)控水平。