趙英　王蓉

摘 要 針對(duì)目前環(huán)境檢測(cè)控制的本地控制弊端，提出利用云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能環(huán)境監(jiān)控。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的氣壓、溫度等被檢測(cè)量，當(dāng)某一個(gè)參數(shù)被探測(cè)為超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，控制系統(tǒng)采用無(wú)線通信方式自動(dòng)控制相應(yīng)的外圍設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的安全防范操作，同時(shí)配備手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。測(cè)量環(huán)境通風(fēng)范圍0～2m/s。

關(guān)鍵詞 云計(jì)算技術(shù) 智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 工業(yè)以太網(wǎng)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于供電部門、水質(zhì)污染、安全隱患提出了無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，相關(guān)論文較多，但將計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、智能控制等技術(shù)綜合的運(yùn)用，做成專用無(wú)線自動(dòng)傳信控制器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制中還不多，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中煙霧、有毒氣體、風(fēng)速、粉塵等原因造成的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)的研究和產(chǎn)品更是不多。國(guó)外工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控體系對(duì)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中起到了推動(dòng)的作用，也為我國(guó)監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了參考作用，但國(guó)外環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)均是綜合型體系，這些系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：（1）性價(jià)比低，即系統(tǒng)價(jià)格過(guò)高，難以承受；（2）管理系統(tǒng)軟件在文檔處理上有些不符合中國(guó)國(guó)情；（3）系統(tǒng)體積、重量比較大；（4）升級(jí)維護(hù)困難；（5）管理模式落后。

目前環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚屬剛剛起步，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)控制僅僅是本地監(jiān)控控制，無(wú)法將數(shù)據(jù)匯總到互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中。

本系統(tǒng)完成了從本地監(jiān)測(cè)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制的一系列功能，未來(lái)不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控，也可拓展至工業(yè)室外自然環(huán)境、社區(qū)、家庭、室內(nèi)等多領(lǐng)域應(yīng)用。與傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制設(shè)備相較，本設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)勢(shì)：（1）智能控制室內(nèi)環(huán)境的風(fēng)速壓力，不論外部環(huán)境如何改變（例如開(kāi)窗、開(kāi)門等操作），系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)風(fēng)速，當(dāng)有人工作時(shí)，風(fēng)速會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)安全值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到廠房沒(méi)人時(shí)，系統(tǒng)將以一個(gè)低功耗模式工作。始終將廠房風(fēng)速維持在一個(gè)穩(wěn)定的值，既能保證一個(gè)安全的通風(fēng)風(fēng)速，也杜絕了風(fēng)速過(guò)大而造成的資源浪費(fèi)。（2）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅能本地智能控制，而且采用無(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。管理人員僅需一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦，打開(kāi)瀏覽器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)廠房、每一臺(tái)設(shè)備的監(jiān)控以及控制。同時(shí)還有配套的手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)利用STM32、無(wú)線通信、無(wú)線傳感TEEN協(xié)議和智能控制等技術(shù)的綜合運(yùn)用，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和模擬仿真核心技術(shù)，研制一套研制工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控和專用軟件系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)煙霧、有毒氣體、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、粉塵等數(shù)據(jù)的在線檢測(cè)、傳信、監(jiān)控、顯示、報(bào)警等，并自動(dòng)控制風(fēng)閥排出有毒氣體、粉塵等，對(duì)各個(gè)廠房環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)主要由三大部分組成：

（1）端采集設(shè)備：包括粉塵濃度、空氣濕度、有害氣體濃度等各類數(shù)。據(jù)采集終端，由M2M通信模塊將獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到采集設(shè)備。

（2）集中控制器：M2M通信模塊可自動(dòng)管理終端采集設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)路由；中央處理器模塊完成對(duì)傳感器的信息收集、處理，并可根據(jù)預(yù)警模型自動(dòng)觸發(fā)指令控制外圍設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，信息數(shù)據(jù)展示在控制器液晶屏，并通過(guò)RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到指定的遠(yuǎn)程云端管理系統(tǒng)。

（3）基于云計(jì)算架構(gòu)的管理系統(tǒng)：可管理多個(gè)集中控制器傳送的環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程連接集中控制器實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、控制不同區(qū)域的各個(gè)終端。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要包括傳感器采集終端和網(wǎng)絡(luò)集中控制器。傳感器采集終端選用溫度、CO氣體、光敏、粉塵濃度、火焰等相應(yīng)的傳感器，各個(gè)傳感器分別搭載一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)收集終端設(shè)備，當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)后，由Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊上的處理器按照上傳到協(xié)調(diào)器。Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊采用STM32F10X片上系統(tǒng)芯片，利用芯片上的A/D模塊和I/O接口與傳感器連接。

為將不同傳感器與CC2530芯片相連，硬件設(shè)計(jì)上采用統(tǒng)一的可插拔式模塊化設(shè)計(jì)接口：a）可與開(kāi)關(guān)量傳感器直接相連的IO口；b）可與模擬量傳感器相連的ADC接口；c）I2C接口。

網(wǎng)絡(luò)集中控制器主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊（有線/無(wú)線WIFI）。

3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器采集終端使用TI公司成熟的Zigbee協(xié)議棧Z-Stack，其優(yōu)勢(shì)是低功耗狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)自組織管理Zigbee網(wǎng)絡(luò)，在同一網(wǎng)絡(luò)中，可借由路由器節(jié)點(diǎn)容納多達(dá)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于大型的室內(nèi)環(huán)境且傳感器節(jié)點(diǎn)較多的場(chǎng)合非常適用。[1]

如圖2所示為Zigbee網(wǎng)絡(luò)示意圖，其中黑色為協(xié)調(diào)器，紅色為路由器，白色為終端設(shè)備?？梢?jiàn)一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)集中管理器作為Zigbee體系的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組建和管理Zigbee體系，并收集環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)作為上層服務(wù)器應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議格式發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理，包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用服務(wù)軟件。應(yīng)用服務(wù)軟件的任務(wù)包括：分析任一節(jié)點(diǎn)上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)，與正常范圍進(jìn)行比較，若超出安全閾值則觸發(fā)安全警報(bào)；記錄下任一節(jié)點(diǎn)上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)，繪制環(huán)境變化曲線圖供用戶查看與分析；控制室內(nèi)的安全措施裝置，包括消防安全水筏、通風(fēng)換氣筏、電器電路系統(tǒng)等。

4 結(jié)語(yǔ)

智能室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)是目前高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品，通過(guò)合理地部署傳感器終端采集數(shù)據(jù)，再利用網(wǎng)絡(luò)通信上傳到后臺(tái)云服務(wù)器中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)“端-管-云”三個(gè)層次的綜合應(yīng)用。系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的各類煙霧、有毒氣體、粉塵、風(fēng)速等環(huán)境參量進(jìn)行在線檢測(cè)、傳信、監(jiān)控、顯示、報(bào)警等，設(shè)計(jì)出性價(jià)比高的各不相同的專用工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而形成完整可用的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，具有連續(xù)性、在線性、實(shí)時(shí)性、唯一性，并能自動(dòng)傳遞各種檢測(cè)信息，傳輸范圍大等特點(diǎn)。滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)推進(jìn)環(huán)保、保障人類健康，節(jié)約能源，構(gòu)建和諧社會(huì)有著極大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Texas Instruments，Inc.，Z-Stack Developers Guide，2012，Chapter2.