基于ZigBee及云平臺(tái)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛裕民，聶曉根，呂建鋒，林鴻穎

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)綠色發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的不斷重視，居民與環(huán)境的和諧共處也越來(lái)越受到關(guān)注。城市生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站作為垃圾處理過(guò)程的中心環(huán)節(jié)，對(duì)居民生活環(huán)境以及垃圾處理效率都有著舉足輕重的影響[1]。

垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站主要用于將垃圾清運(yùn)車收集的各處城市生活垃圾進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)效率。而在垃圾壓縮過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生影響空氣質(zhì)量的廢氣以及滲濾液。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)的廢氣、滲濾液進(jìn)行排放管控。根據(jù)1996年頒布的《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，廢氣的排放需要對(duì)硫化氫、氨氣、二硫化碳等惡臭氣體進(jìn)行控制，排放標(biāo)準(zhǔn)采用二類區(qū)場(chǎng)界濃度值。而滲濾液中的CODCR、BOD5、pH值、懸浮物等的排放需要符合1996年發(fā)布的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。傳統(tǒng)的廢水廢氣監(jiān)管方式是由有關(guān)部門(mén)定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要耗費(fèi)大量的人工成本，并且不能確保未檢測(cè)期間的排放達(dá)標(biāo)情況。

目前，大部分生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站的監(jiān)控系統(tǒng)采用抗干擾性強(qiáng)的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)[2]，通過(guò)有線傳輸方式，由現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議采集現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，并利用組態(tài)王等組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的可視化[3-4]。該方法雖然一定程度地提高了垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站的自動(dòng)化水平，但采用的還是實(shí)時(shí)的局域網(wǎng)絡(luò)，仍然需要專人現(xiàn)場(chǎng)值守，以確保排放達(dá)標(biāo)，且無(wú)法查看歷史排放記錄。同時(shí)，該方法需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置大量的環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。而由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，難以進(jìn)行線路部署，線路存在老化現(xiàn)象，且后期的維護(hù)成本較高[5]。因此，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式難以滿足生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站綠色、智能化運(yùn)行的要求。

為此，本文設(shè)計(jì)了1種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云平臺(tái)技術(shù)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)管人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或者手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，以網(wǎng)頁(yè)的形式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站環(huán)境參數(shù)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)透明化、可追溯化，彌補(bǔ)了以往監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee及云平臺(tái)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)層、云平臺(tái)層、應(yīng)用層。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure of remote monitoring system for waste transfer station

感知層中的采集節(jié)點(diǎn)由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與各種傳感器組成，負(fù)責(zé)采集垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)環(huán)境排放數(shù)據(jù)，如廢水pH值、廢氣中氨氣含量值、環(huán)境溫度值等。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)層由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與Wi-Fi模塊及路由器組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集各采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式發(fā)送出去。Wi-Fi模塊負(fù)責(zé)接收并整合來(lái)自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi協(xié)議發(fā)送出去，由路由器收集數(shù)據(jù)并發(fā)送給云平臺(tái)層。云平臺(tái)層搭載了云服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)與路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存上傳的數(shù)據(jù)并建立網(wǎng)頁(yè)可視化界面。監(jiān)管人員/管理員等均可采用手機(jī)等遠(yuǎn)程終端，以網(wǎng)頁(yè)形式訪問(wèn)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)排放環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與歷史排放數(shù)據(jù)的查看。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

利用無(wú)線傳輸?shù)姆绞酵瓿蓴?shù)據(jù)傳輸，不僅節(jié)約了布線成本，還減少了網(wǎng)絡(luò)組建和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的時(shí)間成本[6]。因此,本系統(tǒng)采用在轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)搭建現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò)方式，不僅需要選用無(wú)線通信協(xié)議，還需選用傳感器并完成其電路設(shè)計(jì)。目前,無(wú)線通信技術(shù)有遠(yuǎn)距離無(wú)線電(long range radio，LoRa)、ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IoT)等。而國(guó)內(nèi)大部分垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站均是中小型規(guī)模，因此往往選用短距離、低延時(shí)的ZigBee通信協(xié)議。但是ZigBee建立的依然是局域網(wǎng)絡(luò)，采集的數(shù)據(jù)收集在協(xié)調(diào)器中，無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)具有的路由器網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)而無(wú)法與云平臺(tái)進(jìn)行通信。轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)路由器采用的是家庭常用的Wi-Fi協(xié)議路由器。因此，本系統(tǒng)利用協(xié)調(diào)器與Wi-Fi模塊進(jìn)行組合，形成數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用德儀TI CC2530模塊。TI CC2530模塊內(nèi)部集成8051 CPU內(nèi)核和SAM天線[6]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的編程開(kāi)發(fā)以及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。同時(shí)，模塊支持ZigBee協(xié)議棧，能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)編程工作。模塊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作于2.4 GHz頻道，能保證環(huán)境數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性。模塊具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)轉(zhuǎn)化模塊[7]，可將處理好的傳感器(如pH值傳感器)發(fā)出的模擬量轉(zhuǎn)換為芯片可識(shí)別的數(shù)字量。CC2530工作電壓為3.3 V，大部分傳感器由ZigBee模塊直接供電，而部分傳感器的工作電壓為5 V，因此需要ZigBee模塊能提供5 V和3.3 V的直流電壓。為此，本設(shè)計(jì)選用TI公司的TPS73033穩(wěn)壓芯片。此款芯片采用小外形晶體管貼片(small outline transistor，SOT)封裝方式，具有5個(gè)引腳，可提供1.8～3.3 V的穩(wěn)定電壓。ZigBee穩(wěn)壓電路原理如圖2所示。

圖2 ZigBee穩(wěn)壓電路原理圖Fig.2 ZigBee voltage regulator circuit schematic

2.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選擇樂(lè)鑫的ESP8266WIFI芯片。該芯片的特點(diǎn)是成本低、功耗低、集成了TCP/IP協(xié)議棧[8]、支持軟件開(kāi)發(fā)工具包(software development kit，SDK)開(kāi)源、學(xué)習(xí)資料豐富，不僅可以獨(dú)立搭載軟件應(yīng)用，還可以作為主控微控制單元(micro control unit，MCU)協(xié)同工具的Wi-Fi解決方案。 本系統(tǒng)采用后1種開(kāi)發(fā)模式。Wi-Fi模塊與主控芯片采用通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)通信，并將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由器。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與Wi-Fi模塊連接如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與Wi-Fi模塊連接圖Fig.3 ZigBee coordinator node and Wi-Fi module connection diagram

2.3 傳感器模塊

由垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站廢水廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)可知，本系統(tǒng)需要對(duì)廢氣中的氨氣、硫化氫等以及滲濾液中的pH值、BOD5值等進(jìn)行監(jiān)控。這些參數(shù)都可以通過(guò)相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。傳感器通常輸出的是模擬電壓量或者數(shù)字量。如pH值傳感器輸出的是模擬量，而溫度傳感器輸出的是數(shù)字量。模擬量輸出傳感器可通過(guò)ZigBee自帶的ADC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化，數(shù)字量直接接入輸入/輸出(input/output,I/O)口。某些特殊的傳感器(如氨氣傳感器)，通過(guò)RS-485與ZigBee通信。因此，傳感器模塊主要介紹pH值檢測(cè)模塊、DHT11溫度檢測(cè)模塊和氨氣檢測(cè)模塊，其他均類似而不再贅述。

2.3.1 pH值檢測(cè)模塊

轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)水質(zhì)pH限定值為6～9。因此，pH值檢測(cè)模塊選用雷磁的E-201-C pH復(fù)合電極。E-201-C pH復(fù)合電極工作溫度為5～60 ℃，pH值測(cè)量范圍為0～14。復(fù)合電極測(cè)量過(guò)程中輸出0～414.12 mV模擬電壓信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)算放大電路放大至ZigBee可識(shí)別的0～3.3 V模擬電壓信號(hào)。放大電路芯片選用TI的TLC4502雙路高性能高阻運(yùn)放。pH值檢測(cè)模塊電路原理如圖4所示。

圖4 pH值檢測(cè)模塊電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of pH value detection module

2.3.2 氨氣檢測(cè)模塊

氨氣傳感器與終端節(jié)點(diǎn)通信電路如圖5所示。

圖5 氨氣傳感器與終端節(jié)點(diǎn)通信電路圖Fig.5 Ammonia sensor and terminal node communication circuit diagram

轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)的氨氣限定值為小于2.0 ×10-6。因此，氨氣檢測(cè)模塊直接選用中安電子的氨氣監(jiān)測(cè)方案。該方案工作電壓為24 V，檢測(cè)范圍為0～10×10-6，分辨率達(dá)到0.05×10-6。整個(gè)氨氣檢測(cè)模塊主要以三電極氨氣傳感器為內(nèi)核，外部搭建運(yùn)放電路及RS-485串口傳輸模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及通信。而ZigBee只能采用UART或串口進(jìn)行通信，因此需要UART轉(zhuǎn)RS-485電路以滿足通信需求。轉(zhuǎn)換電路采用Maxim公司的MAX485作為轉(zhuǎn)換芯片。MAX485芯片具有8個(gè)引腳，采用小外形封裝(small outline package，SOP)的封裝方式，器件工作于半雙工，在5 V單電源下的最高傳輸速度可達(dá)2.5 bit/s。

2.3.3 溫度檢測(cè)模塊

轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)水質(zhì)溫度一般為室溫25 ℃左右，因此溫度檢測(cè)模塊使用DHT11溫濕度傳感器作為轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)環(huán)境溫度檢測(cè)模塊。DHT11是數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，可直接與終端節(jié)點(diǎn)的I/O口(P1.0口)連接通信。DHT11相對(duì)濕度測(cè)量范圍在20～90%RH,溫度測(cè)量范圍在0～50 ℃。DHT11濕溫度傳感器模塊采用4針單排引腳封裝。DHT11的最大特色是采用單線制雙向串口通信。溫度傳感器與終端節(jié)點(diǎn)通信電路如圖6所示。

圖6 溫度傳感器與終端節(jié)點(diǎn)通信電路圖Fig.6 Temperature sensor and terminal node communication circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分，分別是ZigBee組網(wǎng)、Wi-Fi傳輸與云平臺(tái)軟件。

3.1 ZigBee組網(wǎng)

ZigBee組網(wǎng)技術(shù)支持自組網(wǎng)的無(wú)線通信，ZigBee組網(wǎng)時(shí)，要先自定義組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee可支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為3種類型，分別為星型網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[6]。綜合垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)場(chǎng)工況及各方面情況，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有通信距離遠(yuǎn)、多級(jí)連接、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)運(yùn)站ZigBee組網(wǎng)如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)站ZigBee組網(wǎng)圖Fig.7 ZigBee network diagram of transfer station

垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)場(chǎng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如圖8所示。

圖8 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程圖Fig.8 Flowchart of ZigBee wireless network networking

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)步驟如下。

①對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘、串口等。

②協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將被設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)基站，形成初始的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

③終端節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)入此網(wǎng)絡(luò)并獲得媒體存取控制位(media access control address,Mac)地址，形成完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

④組網(wǎng)完成后，對(duì)傳感器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化。

本文以2.3節(jié)介紹的3個(gè)傳感器模塊為例進(jìn)行分析。以pH傳感器為代表的模擬量輸出傳感器通過(guò)配置I/O與ADC模塊進(jìn)行初始化。氨氣傳感器采用MODBUS通信協(xié)議結(jié)合串口進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)UART向傳感器發(fā)送查詢指令0x03。傳感器接收到指令后進(jìn)行1次檢測(cè)操作，并返回?cái)?shù)值給終端節(jié)點(diǎn)。以DHT11溫濕度傳感器為代表的數(shù)字量輸出傳感器只需要配置I/O口后校驗(yàn)時(shí)序即可。傳感器初始化后，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時(shí)中斷。由于垃圾壓縮過(guò)程中廢氣廢液的產(chǎn)生速率較慢，濃度變化速率不快，因此設(shè)置60 s采集1次傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并按端點(diǎn)地址進(jìn)行分類存儲(chǔ)后，通過(guò)串口發(fā)送給ESP8266模塊。整個(gè)組網(wǎng)流程均采用與TI CC2530配套的Z-Stack協(xié)議棧配合操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstract layer,OSAL)操作系統(tǒng)的形式。用戶只需在IAR Embeded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境中通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置及程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)透明傳輸。

3.2 Wi-Fi傳輸

為了轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器收集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用ESP8266 Wi-Fi模塊，因此只需進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)骷纯?。但網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是很復(fù)雜的過(guò)程，需要對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(open system interconnection,OSI)七層模型均進(jìn)行設(shè)置。AT指令是1組已封裝好的接口指令。AT指令為了簡(jiǎn)化終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)應(yīng)用上所需的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程過(guò)程，將網(wǎng)絡(luò)編程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的串口編程，能極大減輕開(kāi)發(fā)難度[9]。因此，本文采用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行編寫(xiě)。

Wi-Fi傳輸?shù)闹饕绦蛉缦隆?/p>

void ZigBee_2_ESP8266_Init(void)

{

USART_Init();

SendStr2ESP(“AT+CWMODE=1 ”);

SendStr2ESP (“AT+CWJAP=“TP-LINK_3761”,“qweasdzxc” ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPMUX=0 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPSTART=“UDP”,“116.62.***.**”,8889，10001,0 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPMODE=1 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPSEND ”);

}

程序步驟如下。

①對(duì)串口進(jìn)行初始化，再通過(guò)AT指令設(shè)置ESP8266為station模式，并輸入路由器名與密碼，連接現(xiàn)場(chǎng)路由器TP-LINK_3761。

②將連接模式設(shè)置為單連接模式，連接協(xié)議設(shè)置為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)連接。

③設(shè)定本地端口號(hào)與終端端口號(hào)及其IP地址，并將傳輸模式設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ健?/p>

④開(kāi)啟連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 云平臺(tái)

云平臺(tái)各模塊通信關(guān)系如圖9所示。

圖9 云平臺(tái)各模塊通信關(guān)系圖Fig.9 Communication diagram of each module of cloud platform

云平臺(tái)設(shè)計(jì)是整個(gè)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分。之前所有現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)最終都將到達(dá)云端，并進(jìn)行合理的業(yè)務(wù)邏輯組合。處理后的數(shù)據(jù)對(duì)用戶發(fā)布。本文系統(tǒng)采用阿里云服務(wù)器作為云服務(wù)器。云服務(wù)器主要分為3個(gè)部分，分別為網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)上，2個(gè)程序之間的通信是通過(guò)各自的端口在1個(gè)雙向通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換來(lái)完成的，即TCP/IP傳輸層上進(jìn)行的端到端的通信。云服務(wù)器與路由器均處于傳輸層下，因此可以采用傳輸層的Socket套接字技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。它的底層仍然是TCP/IP協(xié)議族[10]，只是封裝成接口形式，需要設(shè)置服務(wù)器/客戶端。本文系統(tǒng)中，服務(wù)器端為阿里云服務(wù)器，客戶端為現(xiàn)場(chǎng)路由器。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站中控系統(tǒng)的可視化平臺(tái)總共需要顯示5類數(shù)據(jù)，分別為廢氣、廢水、噪音、溫濕度和繼電器狀態(tài)。對(duì)于廢水、廢氣、噪音和溫濕度這4類數(shù)據(jù)，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)值及最近1 h內(nèi)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率的功能。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)中都應(yīng)該包含這些類型的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)(如廢氣中的氨氣)都具有檢測(cè)數(shù)值、檢測(cè)結(jié)果和檢測(cè)時(shí)間這3種屬性。由于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有性能較好、無(wú)需付費(fèi)、易上手、占用空間少等優(yōu)點(diǎn)[11]，本文數(shù)據(jù)庫(kù)模塊選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。每分鐘通過(guò)調(diào)用mysql_query()API函數(shù)執(zhí)行SQL語(yǔ)言插入，將云服務(wù)器收集的、由路由器發(fā)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存功能。

3.3.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊則選用Grafana可視化檢測(cè)工具。Grafana可視化檢測(cè)工具采用GO語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，可兼容MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)[12]。Grafana主要開(kāi)發(fā)功能如圖10所示。

圖10 Grafanay主要開(kāi)發(fā)功能圖Fig.10 Grafany mian development function diagram

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)試驗(yàn)

無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)試驗(yàn)首先進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)，將終端節(jié)點(diǎn)放置在實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)角落，并人為增加遮擋物的模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遮擋的情況。然后，試驗(yàn)啟動(dòng)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始建網(wǎng)和設(shè)備入網(wǎng)的過(guò)程。在此過(guò)程中，通過(guò)觀察ZigBee模塊上液態(tài)晶體顯示屏(liquid crystal display,LCD)顯示的內(nèi)容便可了解設(shè)備是否成功入網(wǎng)。當(dāng)協(xié)調(diào)器LCD顯示“ZigBee Coord Network ID:FFF1”，則表示協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功。當(dāng)路由器節(jié)點(diǎn)LCD屏幕顯示“Router： XXXX(4位16進(jìn)制數(shù))Parent:0”則表示路由器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)LCD屏幕顯示“EndDevice:XXXX(4位16進(jìn)制數(shù))Parent:0”則表示終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備每分鐘采集1次傳感器數(shù)值并向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后再通過(guò)串口發(fā)往數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)模塊。在發(fā)送過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)端的串口助手來(lái)觀察協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。其格式為“[16:56:57.159]收1 2 7.52 OK”。其中：“1”表示終端節(jié)點(diǎn)編號(hào)；“2”表示該節(jié)點(diǎn)內(nèi)的2號(hào)傳感器，為pH值傳感器；“7.52”表示pH值大?。弧癘K”表示測(cè)量值在合格范圍內(nèi)(pH值在6～9為合格)。

以pH值檢測(cè)為例，首先在云端控制臺(tái)成功接收5次ZigBee每隔60 s自動(dòng)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，人為將ZigBee終端模塊與協(xié)調(diào)器模塊斷開(kāi)連接。等待一段時(shí)間后重新連接，并觀察重連是否成功。在重連后，觀察ZigBee是否可以繼續(xù)采集pH值，并向云端發(fā)送數(shù)據(jù)。云端數(shù)據(jù)控制臺(tái)接收數(shù)據(jù)過(guò)程中，當(dāng)人為斷開(kāi)終端模塊與協(xié)調(diào)器模塊2 min并重連后，云端數(shù)據(jù)控制臺(tái)能重新接收pH值數(shù)據(jù)并顯示，即表明數(shù)據(jù)采集的智能化與傳輸可靠性測(cè)試成功。

4.2 云平臺(tái)服務(wù)試驗(yàn)

人為干預(yù)后氨氣濃度波動(dòng)如圖11所示。

圖11 人為干預(yù)后氨氣濃度波動(dòng)圖Fig.11 Ammonia concentration fluctuation after human intervention

用戶通過(guò)瀏覽器登入相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)后，即可看見(jiàn)Grafana建立的可視化界面。用戶可通過(guò)其界面觀測(cè)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如pH值、氨氣值等，無(wú)需專人現(xiàn)場(chǎng)值守觀察轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)場(chǎng)排放環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)，有關(guān)部門(mén)監(jiān)管人員也可通過(guò)此界面監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)排放情況，省去大量人工檢測(cè)成本。鏈接好數(shù)據(jù)庫(kù)的Grafana具有歷史數(shù)據(jù)追溯功能，可選擇所需查看的日期，轉(zhuǎn)存EXCEL表格查看歷史排放數(shù)據(jù)。

以氨氣值為例，當(dāng)人為干擾氨氣傳感器致使檢測(cè)值提高時(shí)，Grafana的數(shù)據(jù)面板上對(duì)應(yīng)曲線出現(xiàn)了相應(yīng)波動(dòng)。這證明了本文系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了1種基于ZigBee與云平臺(tái)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)階段并采用有線監(jiān)測(cè)采集網(wǎng)絡(luò)存在的布線復(fù)雜、后期維護(hù)困難、需要人工值守、造成多余人工成本等問(wèn)題提供有效可行的解決方案。該系統(tǒng)結(jié)合多傳感器、無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等多項(xiàng)技術(shù)，保證垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)能夠被遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)布局靈活，克服了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，提高了系統(tǒng)的適用性。同時(shí)，本設(shè)計(jì)通過(guò)云平臺(tái)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)管轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)環(huán)境參數(shù)的功能，彌補(bǔ)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)近距離局域通信的不足，具有一定的推廣價(jià)值。