地質(zhì)裝備的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析與應(yīng)用

張 楠， 高 超， 雷 霄， 劉 智， 王子奡

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北 武漢 430034)

自2017年以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中起承上啟下作用的物聯(lián)網(wǎng)平臺也出現(xiàn)了百家爭鳴的現(xiàn)象[1]。物聯(lián)網(wǎng)平臺作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的樞紐，在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中提供終端管理、連接管理、應(yīng)用支持、業(yè)務(wù)分析等功能。目前，提供物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)的廠商所針對的領(lǐng)域可分為以下四種：通信領(lǐng)域(如運營商、通信設(shè)備制造商)、互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域(如BAT)、軟件系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域(如IBM、微軟)和垂直領(lǐng)域(如“機智云”)。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用需求主要集中在兩個方向：一是眾多科研單位和大專院校要求實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的收集匯總，同時監(jiān)控管理各個重點實驗設(shè)備；二是地質(zhì)裝備的野外管理，由于工作環(huán)境的各種不確定因素，需要對設(shè)備作實時、可靠的監(jiān)控管理。物聯(lián)網(wǎng)因其覆蓋面廣、實時性強、精確度高等特點，高度契合以上兩點需求。盧新明等[2]在礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中驗證了“云計算”與平臺技術(shù)可以搭建一個完整、先進(jìn)、具有普適性的礦山物聯(lián)網(wǎng)云計算平臺。徐永強等[3]研究認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在預(yù)防、預(yù)警各種地質(zhì)災(zāi)害中具有顯著優(yōu)勢。得益于物聯(lián)網(wǎng)平臺的飛速發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”建立起良好的外部環(huán)境和硬件基礎(chǔ)[4]，推動著“物聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”向前發(fā)展[5-6]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)行業(yè)具有十分廣闊的前景。

“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺功能的獲取與使用十分簡便，客戶在平臺上可以快速進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)、Web可視化開發(fā)和對應(yīng)APP的發(fā)布。基于“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺的優(yōu)勢，本文重點圍繞該平臺討論地質(zhì)裝備的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，以錐形球磨機為例，論述地質(zhì)裝備應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景、技術(shù)目標(biāo)、方案設(shè)計和軟硬件設(shè)計，為進(jìn)一步實現(xiàn)地質(zhì)裝備的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用提供有力的支撐。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)裝備的技術(shù)目標(biāo)及方案設(shè)計

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)裝備的主要技術(shù)目標(biāo)是利用物聯(lián)網(wǎng)平臺，將信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)人、機、物在隨時隨地都能夠互聯(lián)互通，在必要時輔以遠(yuǎn)程操控、定時、視頻監(jiān)控等其他手段，并確保設(shè)備運行穩(wěn)定、安全。因此，其主要功能包括：

(1) 安全可靠地遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運行的狀態(tài)；

(2) 實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程開啟與停止、定時開啟與停止等功能；

(3) 能夠通過攝像頭實時傳輸設(shè)備運行的圖像信息。

要實現(xiàn)以上功能，離不開設(shè)備信息的實時網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前實現(xiàn)設(shè)備信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸主要有三種方式：①利用可聯(lián)網(wǎng)的人機交互界面搭建物聯(lián)網(wǎng)；②利用數(shù)據(jù)傳輸單元DTU(Data Transfer Unit)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；③利用集成WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊的單片機MCU(Micro Controller Unit)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。相較于另外兩種設(shè)備，MCU成本低、功耗小，可以直接連接待控制的設(shè)備，十分適合作地質(zhì)裝備的數(shù)據(jù)傳輸工具。

基于以上分析，系統(tǒng)以ESP32系統(tǒng)芯片作為核心模塊，ESP32-CAM作為攝像頭模塊，在Arduino軟件中編譯，通過MQTT協(xié)議接入“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺實時監(jiān)控設(shè)備，并且使用部分引腳作為輸出端口控制設(shè)備的開啟與停止。同時，通過“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)布的Web可視化開發(fā)應(yīng)用，直接在固定的網(wǎng)站上監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。設(shè)備運行的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

系統(tǒng)中，Web可視化應(yīng)用后臺與“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器直接連通，操作界面可以實時反饋設(shè)備運行狀態(tài)，操作按鈕控制設(shè)備啟停、定時、視頻監(jiān)控等功能?！鞍⒗镌啤蔽锫?lián)網(wǎng)平臺對ESP32系統(tǒng)芯片發(fā)布包括開啟停止、定時啟停、視頻監(jiān)控開關(guān)等操作指令，ESP32系統(tǒng)芯片向平臺上傳設(shè)備運行狀態(tài)的信息。ESP32系統(tǒng)芯片收到指令后，根據(jù)指令內(nèi)容啟停ESP32-CAM模塊、控制電路開關(guān)，然后通過控制電路開關(guān)直接控制設(shè)備運行與停止。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)計內(nèi)容主要包括ESP32系統(tǒng)芯片、ESP32-CAM模塊和控制電路。

2.1.1ESP32系統(tǒng)芯片

ESP32系統(tǒng)芯片采用Xtensa Dual-Core 32-bit LX6內(nèi)核，CPU頻率最高可以達(dá)到240 MHz，并且還擁有容量高達(dá)528KB的RAM。本次研究選擇以樂鑫ESP32系統(tǒng)芯片為核心的開發(fā)板Node MCU-32s。其中ESP32系統(tǒng)芯片共使用到4個GPIO接口(GPIO12、16、17、21)，用以控制設(shè)備的運行狀態(tài)檢測、啟動、停止和ESP32-CAM模塊的運行。ESP32系統(tǒng)芯片使用集成的WiFi功能聯(lián)網(wǎng)，通過MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，以獲取平臺指令并發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)信息。同時，ESP32系統(tǒng)芯片利用系統(tǒng)內(nèi)的定時器可以實現(xiàn)本地定時功能，保證了定時啟停功能的準(zhǔn)確性與高效性。

2.1.2ESP32-CAM模塊

ESP32-CAM模塊是安信可最新發(fā)布的小尺寸攝像頭模組，該模塊是基于ESP32系統(tǒng)芯片設(shè)計的，可以作為最小系統(tǒng)獨立工作，尺寸僅為27 mm×40.5 mm×4.5 mm，深度睡眠電流最低達(dá)到6 mA，十分適合用于本系統(tǒng)。當(dāng)ESP32系統(tǒng)芯片的GPIO接口21發(fā)出高電頻信號時，ESP32-CAM模塊通過事先調(diào)試獲取的固定IP地址即可進(jìn)入攝像頭操作界面，“Get Still”按鈕可以獲取攝像頭拍攝到的圖片，“Start Stream”按鈕可以使攝像頭開啟視頻監(jiān)控功能，并且在頁面內(nèi)可以直接看到實時的視頻。

2.1.3控制電路設(shè)計

此次用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析與應(yīng)用的地質(zhì)設(shè)備選用各實驗室及院校廣泛使用的XMQ-150×50錐形球磨機。該錐形球磨機可供實驗室(干)濕法磨細(xì)礦石之用，也可供冶金、建材、化工、輕工、煤炭、水電、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域磨細(xì)物料之用。與原有同類型磨機比較，該設(shè)備具有如下優(yōu)點：

(1) 磨機筒體工作轉(zhuǎn)速高，筒體內(nèi)襯光滑，磨礦效率高，磨礦介質(zhì)(鋼球)充填率小，磨礦介質(zhì)個數(shù)多，磨剝作用強。

(2) 配置平衡、合理，操作輕便、安全，排礦方便、迅速，工作噪音小。

(3) 磨細(xì)物料粒度組成均勻，過粉碎程度小。

(4) 機器結(jié)構(gòu)緊湊，傳動機構(gòu)簡單、可靠、潤滑少，維護簡便；使用安裝不需專門基礎(chǔ)臺或工作臺，移動方便，占地面積小。

該設(shè)備電源采用的是380 V三相電，為了方便物聯(lián)網(wǎng)模塊接入設(shè)備投入使用，設(shè)備的外部控制電路將基于380 V三相電源設(shè)計。設(shè)備外部控制電路的具體設(shè)計如圖2所示。 其中，KM1與KM2分別為外部控制電路中控制設(shè)備啟停開關(guān)的繼電器開關(guān)，KM3來自于原設(shè)備內(nèi)直接控制設(shè)備的繼電器開關(guān)。當(dāng)KM1或KM2通電時，對應(yīng)的開關(guān)將閉合，反之則會斷開，以達(dá)到類似于人員按下啟動、停止的操作。

圖3給出了在設(shè)備內(nèi)部電路中各繼電器開關(guān)運行的原理：KM3設(shè)計為自鎖控制形式，自鎖控制線路的特點是具有欠電壓與失電壓(或零電壓)保護作用。當(dāng)且僅當(dāng)KM1線圈得電時，KM1開關(guān)閉合，從而使KM3線圈得電吸合，設(shè)備開始運行；當(dāng)KM2線圈得電時，KM2常閉開關(guān)斷開，使得KM3線圈失電，KM3常開開關(guān)斷開，從而使設(shè)備停止運行。

圖2 設(shè)備外部控制電路Fig.2 External control circuit of equipment

圖3 設(shè)備內(nèi)部電路Fig.3 Internal circuit of equipment

2.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計內(nèi)容主要包括MQTT通信協(xié)議設(shè)置、物聯(lián)網(wǎng)模塊控制系統(tǒng)以及Web可視化應(yīng)用。

2.2.1MQTT通信協(xié)議設(shè)置

本實驗中ESP32系統(tǒng)芯片與“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺通信協(xié)議采用的是MQTT協(xié)議，其最大優(yōu)點在于可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。MQTT協(xié)議使用的是發(fā)布與訂閱(PUB/SUB)模型，使用不同的主題(TOPIC)即可實現(xiàn)不同功能。表1列出了本系統(tǒng)中主要使用的TOPIC，并且給出了對應(yīng)功能的說明。

表1 模塊主要使用的TOPIC及其說明Table 1 TOPIC mainly used by the module and their descriptions

在TOPIC語句中，“${ProductKey}”指的是在“阿里云”平臺創(chuàng)建項目時獲得的項目編碼，該編碼是獨一無二的?！?{deviceName}”指的是在該項目中創(chuàng)建的硬件名稱，不同的硬件應(yīng)當(dāng)設(shè)置不同的名稱加以區(qū)別。

2.2.2物聯(lián)網(wǎng)模塊控制系統(tǒng)程序

如圖4所示，ESP32系統(tǒng)芯片首先初始化系統(tǒng)，隨后嘗試連接網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)連接網(wǎng)絡(luò)失敗時，系統(tǒng)會自動嘗試重新連接；如果成功連接網(wǎng)絡(luò)，ESP32系統(tǒng)芯片會上報設(shè)備目前的狀態(tài)，例如開啟或停止?fàn)顟B(tài)、定時器剩余時間、攝像頭狀態(tài)以及設(shè)備運行時間等信息。同時，ESP32系統(tǒng)芯片會等待接受物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送過來的指令，當(dāng)設(shè)備沒有接收到信息時，會返回檢查連接狀態(tài)，并如此循環(huán)；如果接收到開關(guān)、攝像頭開啟停止或者設(shè)置定時器時間等指令時，系統(tǒng)會在執(zhí)行指令之后再返回等待狀態(tài)。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)模塊控制系統(tǒng)程序流程Fig.4 Procedure flow of Internet of Things module control system

2.2.3Web可視化應(yīng)用

Web可視化應(yīng)用使用的是“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺IoT Studio下的Web可視化開發(fā)功能，在Web可視化應(yīng)用開發(fā)時，只需要將按鈕與設(shè)備內(nèi)部對應(yīng)參數(shù)變量相結(jié)合即可實現(xiàn)所需要的功能。圖5是筆者搭建的一個十分簡易的Web可視化界面，可以在一個固定網(wǎng)頁中實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制。其中的開啟、停止分別對應(yīng)ESP32系統(tǒng)芯片的GPIO16、17引腳，從而控制KM1與KM2。而下方的數(shù)字輸入框是設(shè)置定時器時間的窗口，例如想要控制設(shè)備在60 s后自動斷開，只需要在方框內(nèi)輸入60即可。右側(cè)的指示燈顯示的是設(shè)備目前處于開啟或停止?fàn)顟B(tài)(紅燈代表停止?fàn)顟B(tài)，綠燈代表開啟狀態(tài))。

圖5 簡易的Web可視化應(yīng)用界面Fig.5 Simple Web visualization application interface

3 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測試與使用

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，可以在“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺上查看設(shè)備目前的運行狀態(tài)，具體如圖6所示。此時，只需要在之前設(shè)計的Web可視化應(yīng)用中操作相應(yīng)按鈕，即可完成對應(yīng)的操作。當(dāng)按下開啟按鈕時，設(shè)備開始運行；當(dāng)按下停止按鈕時，設(shè)備停止運行。同時，在設(shè)備運行時輸入定時器指定時間，設(shè)備則在一段時間后自動停止運行。對于攝像頭功能需要特別說明的是，在本次研究中ESP32-CAM模塊需事先接收模塊傳回至串口的IP地址數(shù)據(jù)，進(jìn)入相應(yīng)地址后才能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭相關(guān)信息的采集。成功進(jìn)入ESP32-CAM模塊對應(yīng)的IP地址后，將得到如圖7所示的界面。

4 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，地質(zhì)裝備與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本次研究從設(shè)計具體方案，到利用ESP32系統(tǒng)芯片、ESP32-CAM模塊和“阿里云”物聯(lián)網(wǎng)平臺完成設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，再到驗證實驗方案，最終實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程定時開啟、停止控制以及攝像頭監(jiān)控功能，達(dá)到預(yù)期效果，這對實現(xiàn)地質(zhì)裝備的遠(yuǎn)程操控具有十分重要的意義。

圖6 設(shè)備在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺運行狀態(tài)界面Fig.6 The interface of equipment operation status on Alibaba Cloud of Things platform

圖7 ESP32-CAM攝像頭模塊界面Fig.7 ESP32-CAM camara module interface

本次實驗研究的ESP32系統(tǒng)芯片還具有數(shù)字與模擬量的輸入輸出功能，因此在未來的研究中還可以引入數(shù)字與模擬量的信號，進(jìn)而實現(xiàn)溫度、濕度、重量等常見物理量的實時測算、傳輸，從而不斷完善地質(zhì)裝備與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。