陳 瑤，王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液體泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

陳 瑤，王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液體泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由Niagara平臺(tái)控制器Jace和基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，并在Niagara平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。用戶可以采用移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)訪問實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)液體泄漏的遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決了液體泄漏問題不能及時(shí)處理所造成的危害。經(jīng)過仿真模擬，系統(tǒng)能夠及時(shí)做出漏液判斷并啟動(dòng)報(bào)警模式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Niagara；液體泄漏；ZigBee；遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)設(shè)備安全、環(huán)境保護(hù)的要求日益提高，各方面的安全問題都引起了人們的關(guān)注，管道液體泄漏就是其中之一。引起管道液體泄漏的原因多種多樣，包括設(shè)備老化、操作不當(dāng)、缺乏維護(hù)等。而漏液僅依靠人工對(duì)長達(dá)數(shù)十甚至幾百米的管道進(jìn)行檢測(cè)，不僅效率低下，且易產(chǎn)生漏檢。針對(duì)漏液檢測(cè)系統(tǒng)的這些缺陷，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[1]來布置漏液檢測(cè)系統(tǒng)，相比以往基于PLC監(jiān)控系統(tǒng)，在 Niagara平臺(tái)上開發(fā)液體泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[2]不僅速度快，易于修改，消耗人力物力少，而且能將數(shù)據(jù)點(diǎn)介入云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的編程和控制。而ZigBee是一個(gè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事的長距離小數(shù)據(jù)量傳輸協(xié)議，其節(jié)點(diǎn)可相互作為中繼點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)。因此，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)越多網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越大而無需額外基站、網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)，適合于工業(yè)環(huán)境的無線應(yīng)用。

本文首先通過ZigBee無線通信協(xié)議，分離了檢測(cè)帶以及檢測(cè)控制器，使得漏液檢測(cè)系統(tǒng)能夠更方便地在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行布置。使用Niagara平臺(tái)連接ZigBee網(wǎng)關(guān)，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，由此完成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的布置。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)在1991年被提出，定義為將物體、設(shè)備、器件等的信息通過傳感設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)智能化管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系主要包括感應(yīng)層技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)和應(yīng)用層技術(shù)體系[3]。其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括環(huán)境檢測(cè)、智能交通、智能家居、樓宇控制等[4]。

Niagara作為一個(gè)基于Baja標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，是一種通用的軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，允許用戶通過Internet實(shí)時(shí)訪問、控制智能設(shè)備。它具有面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，可以通過Web訪問和控制，為用戶提供了一個(gè)共享的研發(fā)環(huán)境。Niagara所提供的這個(gè)統(tǒng)一的，具有豐富功能的開放式平臺(tái)，可以簡(jiǎn)化開發(fā)過程，降低開發(fā)成本，縮短工作周期。它可以連接各種設(shè)備，包括：照明系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、制冷設(shè)備、燃油泵燃油罐的監(jiān)控、熱水加熱系統(tǒng)消防、垃圾回收系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)，提高設(shè)備連接的集成和互操作能力，為企業(yè)提供完整的智能集成平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理系統(tǒng)的一體化。

圖1 Niagara 一般結(jié)構(gòu)圖

1.2 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)[5]是一種近距離、復(fù)雜度低、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。表1是常見無線通信協(xié)議的對(duì)比。相較于有線漏液檢測(cè)系統(tǒng)而言，無線的信號(hào)傳輸方式比較靈活，且ZigBee具有良好的抗干擾性能[6]，使檢測(cè)系統(tǒng)可以適應(yīng)環(huán)境需求在一定程度上進(jìn)行位置變動(dòng)和添加新的檢測(cè)器。

采用 ZigBee 和液體泄漏檢測(cè)結(jié)合的無線控制系統(tǒng)，無須布設(shè)控制線路，各設(shè)備之間即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)[7]連接，既降低了系統(tǒng)安裝成本，又避免了傳統(tǒng)安裝方式對(duì)交通產(chǎn)生干擾所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

表1 常見無線通信協(xié)議對(duì)比

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自底層至頂層完整的無線控制系統(tǒng)。主要由Modbus通訊[8]、漏液監(jiān)控、以及ZigBee無線通信3部分組成。針對(duì)不同規(guī)模的應(yīng)用，畫面易于組態(tài)實(shí)施，其中利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和可擴(kuò)展特性將分散在空間中的液體泄漏監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)組成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備集中監(jiān)控驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中每個(gè)網(wǎng)關(guān)可管理96個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過Modbus與上層控制器通信?？刂破鲗?shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)的匯集，同時(shí)提供Web界面[9]，管理人員通過手機(jī)、平板電腦等設(shè)備訪問。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

Jace控制器作為一個(gè)成熟且功能強(qiáng)大的集成控制器，可以通過自主開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序與各類系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成。Jace控制器內(nèi)置有大量的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、第三方驅(qū)動(dòng)程序，具有很強(qiáng)大的擴(kuò)展性和靈活的通訊方式，可以實(shí)現(xiàn)Web瀏覽，且具有強(qiáng)大的后臺(tái)軟件平臺(tái)和齊全的配置工具，可組成大型網(wǎng)絡(luò)。由于Jace可以通過Modbus通訊，設(shè)備具有一個(gè)RS232接口，一個(gè)RS485接口，其中RS485接口作為主要的支持Modbus協(xié)議的通訊接口。RS485理論上能夠支持最遠(yuǎn)1 200 m距離的傳輸，并且可增加中繼器來增大傳輸距離。

漏液檢測(cè)帶，其選擇主要考慮以下特性：靈活性、耐腐蝕性、重復(fù)使用率、定位精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣[10]。本文選用柳智科技公司的薄膜傳感器(Lk08-T1)，檢測(cè)液體類型多為可導(dǎo)電液體。關(guān)于薄膜傳感器，它是在PET薄膜上設(shè)計(jì)薄層印刷電路，具有較快的檢測(cè)速度，可替代原有絕大部分傳感器產(chǎn)品，安裝便利、應(yīng)用范圍廣、價(jià)格實(shí)惠。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行

本系統(tǒng)基于Niagara平臺(tái)的Jace控制器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了漏液檢測(cè)模塊和報(bào)警[11]模塊，并完成了與Internet的數(shù)據(jù)交換。漏液檢測(cè)信號(hào)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)信息傳送到Jace控制器，經(jīng)由OBIX協(xié)議直接將液體泄漏的信息傳入云端，在云端對(duì)信息進(jìn)行處理并做出相應(yīng)的預(yù)判，通過智能設(shè)備可實(shí)時(shí)查看。

通過Niagara平臺(tái)以及Jace傳感器，將液體泄漏信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)以及云平臺(tái)，使相關(guān)設(shè)備、器件盡早得到維修。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ZigBee無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì),對(duì)有線傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布置，通過Niagara與云平臺(tái)進(jìn)行連接，完成了整個(gè)系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.2 邏輯編程

系統(tǒng)邏輯主要包括布爾報(bào)警和E-mail報(bào)警兩種模式。布爾報(bào)警在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一個(gè)Boolean類型的報(bào)警變量。當(dāng)管道發(fā)生液體泄漏時(shí)，報(bào)警變量值自動(dòng)跳變?yōu)?，否則持續(xù)為0。當(dāng)用戶不在監(jiān)控界面時(shí)，發(fā)生液體泄漏后，系統(tǒng)可以通過啟動(dòng)E-mail報(bào)警模式向預(yù)先設(shè)定的郵箱發(fā)送郵件提醒。

圖4 E-mail報(bào)警模塊邏輯圖

為節(jié)約能源資源，在該系統(tǒng)中加入日程表。假設(shè)工作時(shí)間為上午9點(diǎn)到下午6點(diǎn)，在上班時(shí)間可啟動(dòng)布爾報(bào)警模式直接對(duì)液體泄漏進(jìn)行提醒，下班時(shí)間設(shè)置E-mail[12]報(bào)警模式發(fā)送郵件進(jìn)行提醒。如圖4所示是E-mail報(bào)警啟動(dòng)日程表。

圖5 E-mail報(bào)警啟動(dòng)日程表

3.3 系統(tǒng)界面

在Niagara平臺(tái)與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通訊之后，系統(tǒng)界面可直接通過手機(jī)進(jìn)行訪問。在系統(tǒng)主界面中，將液體泄漏控制系統(tǒng)作為對(duì)象，以傳感器為單位，每個(gè)單位分配一個(gè)LED燈來反映其報(bào)警情況。為方便管理者維護(hù)管理整個(gè)系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了報(bào)警模塊，歷史記錄模塊和權(quán)限設(shè)定模塊。其中，歷史記錄和權(quán)限設(shè)定模塊由運(yùn)行在監(jiān)控[13]中心Web服務(wù)器上的一系列配套軟件構(gòu)成。當(dāng)監(jiān)測(cè)到液體泄漏時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器會(huì)收到報(bào)警信號(hào)，通過LED和警報(bào)鈴聲響應(yīng)來確定漏液的位置。如圖5所示是模擬傳感器1所代表的管道發(fā)生漏液現(xiàn)象，LED燈點(diǎn)亮，并發(fā)出警報(bào)鈴聲提醒用戶及時(shí)處理。

圖6 系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)束語

本文在液體泄漏檢測(cè)的過程中應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并且深入分析了使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)有線傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)布置[14]，以及通過Niagara與云平臺(tái)進(jìn)行連接，最終完成了整個(gè)系統(tǒng)。Niagara的軟件開發(fā)環(huán)境直觀可靠、操作簡(jiǎn)單。另外，以系統(tǒng)集成為特點(diǎn)，可以通過Niagara平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)做進(jìn)一步的完善，比如增加LED燈光系統(tǒng)、視覺檢測(cè)系統(tǒng)[15]等，從多個(gè)角度對(duì)液體泄漏進(jìn)行檢測(cè)，提高系統(tǒng)的可靠性。

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Remote Monitoring and Control System for Liquid Leakage Based on the Niagara Platform

CHEN Yao，WANG Yagang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The proposed system consists mainly of Jace controllers based on Niagara platform and the wireless sensor networks based on Zigbee, with the program designed based on Niagara. Users can use mobile devices to access real-time information to achieve remote monitoring of liquid leakage, thus solving the problem that liquid leakage cannot be handled in a timely manner. Simulation indicates that the system makes a timely decision and start the alarm mode.

Niagara; liquid leakage; ZigBee; remote monitoring and control

2016- 06- 23

陳瑤(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：工業(yè)控制等。王亞剛(1967-)，男，博士后，教授。研究方向：先進(jìn)預(yù)測(cè)控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.040

TP277.2

A

1007-7820(2017)05-147-04