基于ARM+OneNET云平臺的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

吳繁森

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近些年，制造業(yè)的智能化發(fā)展倍受推崇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也為工廠智能化提供了技術(shù)支持[1-3]。工廠車間的工作環(huán)境復(fù)雜，且人流量較大，車間中的環(huán)境變化影響著工人的工作效率和生產(chǎn)安全，如不適宜的燈光會使得工作人員產(chǎn)生視覺疲勞，化工材料加工車間的有毒氣體嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。因此對工廠車間的關(guān)鍵環(huán)境因素進行實時監(jiān)測十分必要。本文設(shè)計了基于ARM+OneNET云平臺的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，針對工廠內(nèi)溫度、濕度、光線和空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，并上傳至OneNET云平臺。管理人員可以了解到工廠車間內(nèi)環(huán)境變化情況和設(shè)備的運行情況。此系統(tǒng)智能化程度高、可拓展性強，在實際應(yīng)用中有著重要意義。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)由主控芯片、檢測模塊、控制模塊、通信模塊和OneNET云平臺組成。檢測模塊由各環(huán)境傳感器組成，包括溫濕度傳感器、光照強度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。控制模塊主要依據(jù)環(huán)境參數(shù)變化實現(xiàn)對車間內(nèi)日光燈、空調(diào)、加濕器、蜂鳴器的控制。通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

檢測模塊將獲取的車間環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光強、空氣質(zhì)量，傳遞給主控芯片，主控芯片根據(jù)接收的環(huán)境參數(shù)來決策控制模塊的動作，并將數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至OneNET云平臺。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件由STM32主控芯片、復(fù)位電路、晶振電路、溫濕度傳感器模塊、光強傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、通信模塊、繼電器、蜂鳴器組成。硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

2.1 主控芯片及外圍電路

本系統(tǒng)選用的主控芯片為STM32F103VET6，該款芯片包含100個引腳，工作頻率可達(dá)72 MHz；其內(nèi)部資源十分豐富，包含多個ADC、定時器和通信接口，可滿足不同情況下的使用需求。在主控芯片基礎(chǔ)上設(shè)置了復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時會重置內(nèi)部寄存器以及片內(nèi)SRAM。晶振是整個單片機系統(tǒng)的心臟，系統(tǒng)選用8 MHz的晶振提供時鐘信號。

2.2 溫濕度傳感器

為實時監(jiān)測工廠內(nèi)溫濕度的變化情況，選擇了DHT11作為溫濕度傳感器。DHT11由電阻式感濕單元和NTC測溫元件組成，輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號量[4]，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、使用方便等優(yōu)點[5]。

2.3 光強傳感器

選用GY-30光強傳感器模塊來檢測車間內(nèi)環(huán)境光變化，該模塊以BH1750FVI為核心，感光范圍可達(dá)1～65535 lx；其內(nèi)部的光電二極管檢測到光模擬量，再由模塊內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，直接通過I2C總線與主控制器通信[6]。該款傳感器適用范圍廣泛、分辨率高、可靠性強。

2.4 空氣質(zhì)量傳感器

本系統(tǒng)選用MQ-135傳感器來檢測工廠內(nèi)空氣質(zhì)量。該傳感器輸出端口有兩個，分別是DO和AO，其中DO用于輸出數(shù)字量，AO用于輸出模擬量。當(dāng)被檢測環(huán)境的空氣質(zhì)量達(dá)到閾值時，MQ-135的DO輸出高電平。AO輸出的模擬量連接到主控制器上的ADC模塊來讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)MQ-135檢測數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時，可觸發(fā)蜂鳴器報警。

2.5 通信模塊

本設(shè)計通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺，ESP8266模塊通過TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)到WiFi信號的轉(zhuǎn)換[7]。ESP8266可通過AT指令來實現(xiàn)不同工作模式的轉(zhuǎn)換，一般分AP、STA、AP+STA三種工作模式。該傳感器性能穩(wěn)定、能耗低、集成度高，非常適合于工廠環(huán)境使用。

2.6 繼電器

為改善工廠內(nèi)的環(huán)境，需要遠(yuǎn)程對車間內(nèi)的部分電器如空調(diào)、加濕器、日光燈進行控制，而單片機無法直接對這些大功率電器進行控制。因此，在本設(shè)計中使用繼電器實現(xiàn)單片機對大功率電器的控制。通過主控芯片控制繼電器的通斷，進而完成車間內(nèi)大功率設(shè)備的開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)弱電對于強電的控制[8]。

3 軟件設(shè)計

3.1 OneNET云平臺搭建

OneNET云平臺由中國移動提供[9]，使用便捷，只需在添加產(chǎn)品時選擇聯(lián)網(wǎng)方式和設(shè)備接入?yún)f(xié)議以及其他產(chǎn)品信息。本系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議以WiFi聯(lián)網(wǎng)方式與OneNET平臺進行通信。MQTT協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議，具有輕量化、成本低、開放性強等特點，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中[10]。將各傳感器讀取到的數(shù)據(jù)按照固定的報文格式進行封裝后，發(fā)送至OneNET平臺。

3.2 WiFi通信模塊程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)上電后，按下復(fù)位鍵，即可開始對WiFi模塊進行配置并與OneNET云平臺進行連接。程序通過AT指令完成以下功能：設(shè)置SAT模式、連接路由器、進入透傳模式、連接服務(wù)器。

3.3 程序功能設(shè)計

傳感器模塊實時采集工廠車間內(nèi)環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺。系統(tǒng)啟動時，按下復(fù)位按鍵，開始連接無線網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器，同時各傳感器模塊開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)光強傳感器檢測數(shù)值低于或高于閾值時（設(shè)置為300 lx），主控制芯片打開車間內(nèi)燈光。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定閾值時（設(shè)置為低溫20 ℃，高溫30 ℃），打開空調(diào)或關(guān)閉空調(diào)進行溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)濕度高于或低于閾值時（設(shè)置為30%），打開或關(guān)閉加濕器；當(dāng)空氣質(zhì)量傳感器檢測數(shù)據(jù)高于閾值時（設(shè)置為3 000），觸發(fā)蜂鳴器報警。在OneNET云平臺上也可實時觀察各可控設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.4 系統(tǒng)測試

OneNET云平臺實時更新系統(tǒng)上傳的各傳感器數(shù)據(jù)并標(biāo)明工廠內(nèi)設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期，如圖4所示。

圖4 實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

本文實現(xiàn)了單片機技術(shù)與OneNET云平臺相結(jié)合，能夠針對工廠內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境因素進行監(jiān)控，并讓后臺人員了解到環(huán)境參數(shù)變化和設(shè)備啟用情況。為工廠工人提供一個安全、舒適的環(huán)境，提高了工廠的智能化程度。