基于物聯網的智能化工廠可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)

楊嘉嘉，路 晶

（中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618000）

0 引 言

全球范圍內大氣污染日趨嚴重，已經嚴重破壞了生態(tài)平衡，甚至開始危及人類的生存。大氣污染對人體健康、工農業(yè)、氣候環(huán)境的消極影響已成為全球關注的焦點。其中，化學工業(yè)是排放大氣污染物非常嚴重的領域之一，必須進行嚴格控制和徹底治理。因此，在生產過程中，必須考慮控制污染源，加強工廠可燃氣體濃度檢測，才能科學地優(yōu)化工藝，合理地加大環(huán)保投資。

我國城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展使得能源消耗迅速增大，經濟與環(huán)境問題的沖突也日趨尖銳。我國化工廠多且分布廣，且化工廠環(huán)境復雜、監(jiān)測預警設備不完善[1]等，化工廠爆炸性事故時有發(fā)生。近年來，在國家統(tǒng)籌推進的“五位一體”的總體布局指導下，在發(fā)展化工產業(yè)市場地位的同時也更加注重生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展以及重工業(yè)產業(yè)的綠色轉型，還圍繞化工行業(yè)環(huán)保發(fā)展領域頒發(fā)了一系列重要的政策和法規(guī)。國家加大科技研發(fā)投入，鼓勵智能制造行業(yè)的發(fā)展，許多智慧監(jiān)測、云計算等技術結合型企業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。隨著時代的發(fā)展更加趨向形成基于標準化綠色數據的可持續(xù)綠色生產方式，構建以企業(yè)為主體、市場為導向、產學研深度融合的技術創(chuàng)新體系[2]，建立產、學、研合作平臺[3]。

智能化工廠是智能化工業(yè)的一個典型場景映射。本文設計的智能化工廠可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)由Hi3861開發(fā)板、華為云ECS彈性服務器、鴻蒙系統(tǒng)設備三大模塊組成，主要實現了工廠多場景可燃氣體濃度監(jiān)測實時性的提高、對危險情況的報警和場景信號燈的控制，這在一定程度上實現了物聯網技術在災害預防方面的具體應用。

1 整體架構

根據智慧化工園區(qū)的設計要求，本系統(tǒng)主要由Hi3861芯片、MQ-2可燃氣體傳感器、蜂鳴器、MQTT傳輸協議、鴻蒙系統(tǒng)終端設備等部分組成。鴻蒙系統(tǒng)設備終端通過MQTT傳輸協議與Hi3861開發(fā)板連接，實現對工廠內可燃氣體濃度的實時監(jiān)測和數據傳輸。用戶的設備終端在聯網情況下持續(xù)刷新顯示場景參數并且可以對場景內各執(zhí)行器進行控制。系統(tǒng)整體框圖設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 Hi3861模塊

Hi3861 WLAN模組是一款高度集成的2.4 GHz WLAN SoC芯 片， 集 成IEEE 802.11b/g/n基 帶 和RF（Radio Frequency）電路，支持Open Harmony，并配套提供開放、易用的開發(fā)和調試運行環(huán)境。Hi3861 WLAN模組可以通過與Hi3861底板連接，擴充自身的外設能力。Hi3861芯片集成高性能32 bit微處理器、硬件安全引擎以及豐富的外設接口，外設接口包括 SPI（Synchronous Peripheral Interface）、UART（Universal Asynchronous Receiver & Transmitter）、I2C（The Inter Integrated Circuit）、PWM（Pulse Width Modulation）、GPIO（General Purpose Input/Output） 等 ；芯片內置SRAM（Static Random Access Memory）和FLASH，可獨立運行，并支持在FLASH上運行程序。Hi3861芯片適用于智能家電等物聯網智能終端領域。本文的智能化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的Hi3861開發(fā)模組設計如圖2所示。

圖2 Hi3861開發(fā)板模組

2.2 功能模塊選取與設計

本系統(tǒng)所選模塊都屬于工業(yè)級傳感器，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、使用壽命長、響應恢復快速等優(yōu)點[4]，主要包括溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器。采用傳感器測量工廠內主要環(huán)境參數。具體型號見表 1 所列。

表1 傳感器型號一覽表

終端模塊分別依靠AHT20溫濕度傳感器和MQ-2可燃氣體傳感器進行數據采集、解析和傳輸。在監(jiān)測系統(tǒng)中，可燃氣體傳感器型號為半導體可燃氣體傳感器MQ-2，它是一款對丙烷、煙霧的靈敏度高、對天然氣和其他可燃蒸氣的檢測也很理想的氣體傳感器，檢測濃度為300～10 000 ppm，控制方式是Hi3861通過J7接口ADC引腳上報檢測結果。AHT20溫濕度傳感器的的測量范圍為-40～80 ℃（溫度誤差為±0.3%），濕度區(qū)間為0%～80%RH（相對濕度誤差為±2%RH），其中Hi3861通過J7接口SCL引腳、SDA引腳以I2C接口方式訪問該傳感器，GPIO13連接SDA引腳，GPIO14連接SCL引腳。傳感器模組如圖3所示。

圖3 傳感器模組

3 系統(tǒng)軟件結構設計

3.1 主要模塊程序設計

根據系統(tǒng)的主要功能和硬件結構，該智能化工廠可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計主要包括MQTT模塊程序設計、智能終端APP程序設計兩部分。在同一無線數據通信網絡下，MQTT協議使用發(fā)布/訂閱消息模式進行數據傳輸，同時與智能終端APP進行信息交換。

3.2 MQTT模塊程序設計

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議）是一種“輕量級”協議，它基于發(fā)布和訂閱的通信模式，可以一對多地傳輸數據，適合鴻蒙系統(tǒng)分布式的特點。MQTT同時基于客戶端-服務器端模式，構建于TCP/IP協議之上，可以很大程度地解除應用程序耦合。MQTT會構建底層網絡傳輸，即在客戶端和服務器之間建立有序、無損、基于字節(jié)流的雙向傳輸通道。MQTT的優(yōu)點如下：利用極少量的代碼配合有限的帶寬連接遠程設備，并為其面對面提供可靠、實時的服務。MQTT低開銷、低帶寬占用的優(yōu)勢，使其在物聯網開發(fā)和移動應用等方面獲得廣泛關注，尤其在分布式系統(tǒng)方面的應用更為廣泛。

實現MQTT協議由客戶端和服務器端通信共同完成，在通信過程中MQTT協議中有發(fā)布者、代理（服務器）、訂閱者三種身份。其中，客戶端由消息的發(fā)布者和訂閱者組成，其中消息發(fā)布者也可以是訂閱者，而消息代理充當服務器的角色。在應用數據通過MQTT網絡發(fā)送的過程中MQTT會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關聯，具有較強的通信能力、處理能力和發(fā)送能力，能夠將數據發(fā)送至遠程控制端[5]。具體實現方式如圖4所示。

圖4 MQTT實現方式

3.3 智能終端APP程序設計

本文中化工廠可燃氣體監(jiān)測APP系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測、通信傳輸、遠程控制三個模塊組成。開發(fā)板的主控芯片可作為發(fā)布方客戶端或接收方客戶端與MQTT服務器相連，實現數據的傳輸和對執(zhí)行器件的控制。隨著移動端系統(tǒng)的不斷升級優(yōu)化，前端開發(fā)變得方便、簡單，控件形式也變得多種多樣[6]。此系統(tǒng)APP設計主要由DevEco Studio實現，可應用于手機、手表、掌上電腦等設備。

3.3.1 登錄界面設計

APP登錄界面設計涉及三部分代碼，分別是JAVA源代碼、資源文件和系統(tǒng)文件。JAVA源代碼確定了APP登錄界面不同控件的主要功能的實現辦法，資源文件負責結構布局、元素樣式的設計，而系統(tǒng)文件則包括了基礎的配置、識別界面中的組件。該系統(tǒng)的登錄界面構成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)登錄界面構成

3.3.2 主控界面設計

根據智能化工可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，主控界面主要由環(huán)境監(jiān)測、通信傳輸、遠程控制三個模塊組成。用戶通過創(chuàng)建好的賬號和密碼登錄后，登錄界面自動跳轉到主控界面，界面上可以控制通道信號燈、排風扇狀態(tài)等。主控界面流程如圖6所示。

圖6 主控界面流程

后臺在登錄界面中設置事件偵聽器監(jiān)聽按鈕事件，并且增添滑動分頁功能，使得該用戶能夠使用該APP同時監(jiān)測相同類型的多個場景，可以通過手機/手表或者OLED屏幕手動控制相應單元工作，實現人性化不定時工作[7]，且一旦按鈕事件發(fā)生，通過意圖組件實現附加功能。

4 系統(tǒng)測試

智能化工廠可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)搭建完成后，系統(tǒng)整體均可正常運行，功能實現與預期一致。若后續(xù)在調試過程中出現問題，則繼續(xù)完善和改進。系統(tǒng)聯網后，所有硬件正常工作。點擊屏幕圖標，運行APP，顯示登錄界面，如圖7所示，輸入賬號和密碼，登錄進入功能界面。

圖7 登錄界面

如圖8所示，通過MQTT實時發(fā)布和接收采集的環(huán)境信息，可以在手機APP相應界面中刷新顯示，左右滑動頁面可查看多個場景的環(huán)境參數。在界面底部點擊報警器、信號燈等按鈕，可以更直觀、便捷地根據實時接收的數據做出決策，控制執(zhí)行設備，改變設備狀態(tài)，同樣執(zhí)行設備的狀態(tài)也會實時顯示。

圖8 功能界面

5 結 語

本文所設計的系統(tǒng)主要是由Hi3861芯片、MQ-2可燃氣體傳感器、蜂鳴器、MQTT傳輸協議、鴻蒙系統(tǒng)終端設備等部分組成。基本實現了本系統(tǒng)的預期目標，如對終端各類參數的采集與發(fā)送、異常數據報警和智能處理、手機終端隨時隨地查看等功能[8]。但本系統(tǒng)還存在值得改進的地方，比如：Hi3861芯片屬于L0級別的輕量系統(tǒng)級芯片，不適合大數據的存儲傳送；智能設備終端APP功能還需要進行數據分析、消息推送等功能優(yōu)化。結合物聯網和鴻蒙系統(tǒng)的發(fā)展，除了實現環(huán)境溫濕度數據的采集與傳輸，并將溫濕度自動化監(jiān)控與預警應用[9]到該化工廠場景中，本系統(tǒng)還可以基于用戶的使用習慣實現部分個性化功能以及用于多數有需要的場景，例如適應不同分辨率的終端設備、監(jiān)控園區(qū)的不同分區(qū)等。系統(tǒng)有助于實現生產環(huán)境的可視化智能監(jiān)測[10]，與云計算、人工智能等技術相結合，打造更加全面的智能化工業(yè)體系，實現經濟、環(huán)境效益最優(yōu)化。