文/關(guān)景新 尹娟 舒位光

1 前言

為了強(qiáng)制企業(yè)對(duì)污染物進(jìn)行處理，國(guó)家法律法規(guī)規(guī)定了企業(yè)需要安裝相應(yīng)的環(huán)保設(shè)備來(lái)處理廢水、廢氣、廢物等污染物。然而，部分企業(yè)為了追求利潤(rùn)會(huì)鋌而走險(xiǎn)，主觀意識(shí)上尋找監(jiān)管的漏洞來(lái)偷放污染物。眾所周知，環(huán)保設(shè)備都是安裝在企業(yè)內(nèi)并且由企業(yè)使用，有些企業(yè)就會(huì)選擇性對(duì)設(shè)備采取關(guān)停、減少環(huán)保設(shè)備工作時(shí)間等手段來(lái)偷排污染物。而目前政府部門(mén)監(jiān)督企業(yè)偷排行為的手段主要有采用定期檢查、突擊抽查等方式，然而這種方式需要的工作人員較多，過(guò)程復(fù)雜，也因企業(yè)多，難以進(jìn)行全面監(jiān)督。近幾年來(lái)，政府部門(mén)漸漸采取技術(shù)手段對(duì)企業(yè)的偷排行為進(jìn)行監(jiān)督，例如采用科技產(chǎn)品來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行的方式。

目前已經(jīng)有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備的系統(tǒng)在線使用，但存在著嚴(yán)重的問(wèn)題：監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備的客戶端外置可見(jiàn)，給企業(yè)提供了主觀條件阻止監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行來(lái)偷排的可能性和機(jī)會(huì)，據(jù)相關(guān)環(huán)保管理部分的反映，某些企業(yè)故意制造偶然事件，將監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)傳感從原來(lái)的環(huán)保設(shè)備電源線嫁接到其它設(shè)備中，然后關(guān)停環(huán)保設(shè)備來(lái)制造環(huán)保設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的假象；又有些企業(yè)故意制造監(jiān)測(cè)設(shè)備供電不正常偶然事件，讓監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)而工作時(shí)而失靈來(lái)制造環(huán)保設(shè)備短時(shí)間內(nèi)停止工作來(lái)獲得時(shí)間來(lái)進(jìn)行偷排廢水、廢氣等。

圖1：環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

圖2：系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

本課題組針對(duì)以上問(wèn)題，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(NB-IoT)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一套環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要運(yùn)用了最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)作為遠(yuǎn)程通信的手段，設(shè)計(jì)一個(gè)智能插座客戶端，該客戶端是與86電源插座面板一樣大小的、內(nèi)置式的監(jiān)測(cè)硬件，不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的電壓、電流和功率等狀態(tài)，還能實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的在線情況，結(jié)合遠(yuǎn)程服務(wù)器，形成一套性能良好、功能完善的環(huán)保設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免上述的問(wèn)題，從而較好的實(shí)現(xiàn)24小時(shí)對(duì)企業(yè)的偷排行為進(jìn)行監(jiān)督。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)是一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因低功耗、連接穩(wěn)定、成本低、架構(gòu)優(yōu)化出色等特點(diǎn)而備受關(guān)注，它聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存而平滑升級(jí)。

NB-IoT具備四大特點(diǎn)：

（1）廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力，能很好地在地下負(fù)三層的物理空間進(jìn)行使用；

（2）具備支撐連接的能力，NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

（3）更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年；

（4）更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過(guò)5美元。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1（左），采用客戶端-服務(wù)器的方式，包括智能插座客戶端和智能插座服務(wù)端兩個(gè)部分。其中智能插座客戶端是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，客戶端包括插座面板，面板主要提供環(huán)保處理設(shè)備接入電網(wǎng)的插座接觸頭；插座面板的背面設(shè)置計(jì)量模塊、內(nèi)核模塊以及電源模塊；計(jì)量模塊連接至插孔內(nèi)的金屬片并計(jì)算環(huán)保設(shè)備的用電數(shù)據(jù)；內(nèi)核模塊具有相互連接的處理器以及NB-IoT的無(wú)線傳輸模塊，處理器接收接觸傳感器以及計(jì)量模塊輸出的信號(hào)和面板模塊接觸信號(hào)，NB-IoT無(wú)線傳輸模塊將處理器輸出的信號(hào)發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器；電源模塊向內(nèi)核模塊供電，除了從交流電源中轉(zhuǎn)換得到為智能插座客戶端的低壓直流硬件供電以外，還考慮設(shè)計(jì)采用鋰電池進(jìn)行供電，以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的斷電情況下異常情況監(jiān)測(cè)。

在硬件系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，主要圍繞體積大小、實(shí)現(xiàn)接口簡(jiǎn)單的因素進(jìn)行。

3.1 面板設(shè)計(jì)

面板設(shè)計(jì)主要考慮向設(shè)備提供交流電的供給和設(shè)備接入后不允許隨意拔掉的兩個(gè)因素。見(jiàn)圖1（右），結(jié)合常用的86面板，在面板上設(shè)置有至少一組插孔，每一組插孔包括兩個(gè)或者三個(gè)插孔，當(dāng)然，如有需要，可以設(shè)計(jì)成四插孔用于三相交流電的接入，另外，插座面板的正面設(shè)置有接觸傳感器，接觸傳感器設(shè)置在每一組插孔所在的插頭區(qū)域內(nèi)，當(dāng)設(shè)備的電源線插入至面板后，如果由于人為因素而拔掉設(shè)備的電源線這一行為將會(huì)被記錄。這接觸傳感器的信號(hào)是一種開(kāi)關(guān)量，將以中斷方式與中央處理器相連接，使得整個(gè)系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)處理。

3.2 計(jì)量模塊

在計(jì)量模塊方面選擇了LT-163單相互感式傳感測(cè)量器，主要考慮的因素有：

（1）該測(cè)量器高度集成測(cè)量、數(shù)字通訊技術(shù)，能準(zhǔn)確測(cè)量單相交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電量等電參數(shù)；

（2）該測(cè)量器具有一路的TTL 電平串口通信接口，完全隔離電路，體積小，接口簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)串口發(fā)送簡(jiǎn)單的指令便可以實(shí)現(xiàn)功能，方便嵌入到環(huán)保處理設(shè)備的監(jiān)測(cè)當(dāng)中去。

3.3 NB-IoT

圖3：客戶端程序的流程圖

圖4：通信數(shù)據(jù)包格式與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在NB-IoT模塊方面選擇了移遠(yuǎn)公司的BC95，它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無(wú)線通信模塊，體積小，其尺寸僅為23.6mm ×19.9mm × 2.2mm，并采用TTL電平的串口通信進(jìn)行指令傳輸便可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

3.4 中央處理器

在處理器方面，主要根據(jù)所需要的IO口數(shù)量、串口通信接口數(shù)量以及功率進(jìn)行選擇。選擇了ST公司的STM32F030單片機(jī)，該單片機(jī)采用了Cortex-M0的內(nèi)核，工作電壓可以低至2.4V，具有休眠、停止、待機(jī)等低功耗運(yùn)行模式，具有TSSOP20體積極小的封裝，并具2個(gè)串口和10多個(gè)高速GPIO口，能滿足系統(tǒng)需求。

整個(gè)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)如圖2，可見(jiàn)本系統(tǒng)的電源主要是從交流電中轉(zhuǎn)換得到，再經(jīng)過(guò)充放電管理芯片TC4056A對(duì)鋰電池進(jìn)行管理，再經(jīng)過(guò)電源切換模塊（POWΕR SW）自動(dòng)選擇供電電源為計(jì)量、中央處理器、BC-95進(jìn)行供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件的設(shè)計(jì)主要是在Keil C的開(kāi)發(fā)環(huán)境中為中央處理器添加運(yùn)行代碼，包括CPU的初始化、NB模組和計(jì)量模組的初始化、監(jiān)測(cè)及向服務(wù)器發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3的程序流程圖。整個(gè)流程圖分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分，主程序主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)中斷觸發(fā)后功能處理和監(jiān)測(cè)允許運(yùn)行三個(gè)實(shí)現(xiàn)方法，其中服務(wù)器參數(shù)設(shè)置包括開(kāi)啟/停止運(yùn)行、監(jiān)控企業(yè)物理地址等設(shè)置；中斷服務(wù)程序主要是等待電源線拔出產(chǎn)生IO中斷，立刻向服務(wù)器發(fā)送異常信號(hào)，并開(kāi)啟延時(shí)，等待消除IO中斷。從圖3的流程圖中可以看出，本程序具有一顯一隱的兩條主循環(huán)路線，主程序里經(jīng)過(guò)初始化操作后將會(huì)進(jìn)行顯性的循環(huán)執(zhí)行，先判斷是否是指令操作，再判斷是否中斷已觸發(fā)，再判斷監(jiān)測(cè)是否開(kāi)啟運(yùn)行，一直循環(huán)下去，但當(dāng)IO中斷產(chǎn)生后，將進(jìn)行隱性循環(huán)，從主程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序運(yùn)行，關(guān)中斷后開(kāi)啟延時(shí)，返回主程序執(zhí)行，主程序判斷延時(shí)是否完成，如果完成將重新開(kāi)啟中斷，等待下次的中斷產(chǎn)生，如是時(shí)間未到，將向服務(wù)器發(fā)送異常數(shù)據(jù)，如此循環(huán)下去。

圖5：系統(tǒng)運(yùn)行

4.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件在Visual studio的環(huán)境下采用了C++面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要是在遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)中開(kāi)發(fā)了通信層和應(yīng)用層的程序。通信層的程序功能主要是為應(yīng)用初始化始化Socket端口等待客戶終端登陸，接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的格式如圖4所示，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包后傳至應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；應(yīng)用層的程序功能主要是接收通信層解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和在人機(jī)交互界面處呈現(xiàn)供管理者察看處理。在應(yīng)用層設(shè)計(jì)上為了能有更好用戶體驗(yàn)感，采用了以下兩種技術(shù)：

（1）在MFC中使用WebBrowser控件調(diào)用百度地圖API來(lái)直接在地圖中呈現(xiàn)接入到服務(wù)管理平臺(tái)的企業(yè)環(huán)保處理設(shè)備；

（2）在MFC中調(diào)用TeeChar圖表的ActiveX控件直接呈現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。

（3）還開(kāi)啟了SQL server服務(wù)，建立了LoginTable、DeviceInfo、RTDataTable等數(shù)據(jù)庫(kù)表用于管理用戶、設(shè)備信息與參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)還為用戶提供了系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)管理、查看設(shè)備歷史數(shù)據(jù)以及啟停監(jiān)管等功能菜單，形成了一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)管理應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行呈現(xiàn)如圖5(左)。

5 運(yùn)行測(cè)試

系統(tǒng)的服務(wù)運(yùn)行如圖5（左），對(duì)系統(tǒng)采用了接入一個(gè)額定電壓為～220V、功率為2200W的單相交流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，如圖5（右）。其中，圖5（右）中的左上圖為設(shè)備在線檢測(cè)、圖5（右）中的左上圖為設(shè)備運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)電壓、圖5（右）中的左下圖為設(shè)備運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)電流以及圖5（右）中的右下圖為設(shè)備運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)功率。在整個(gè)圖5（右）顯示的數(shù)據(jù)中可以分析得到正常運(yùn)行檢測(cè)、離線報(bào)警檢測(cè)、設(shè)備功率異常檢測(cè)的情況。從左上圖中可知在測(cè)試次數(shù)0～120范圍內(nèi)，設(shè)備一直在線，在超過(guò)120次的測(cè)量中，設(shè)備一直離線，服務(wù)器系統(tǒng)收到此狀態(tài)后會(huì)進(jìn)行報(bào)警顯示；從左下圖和右下圖中可知在測(cè)試次數(shù)在100～120范圍里，設(shè)備測(cè)得的實(shí)時(shí)電流和功率不斷增加，設(shè)備異常運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的警報(bào)上下限值進(jìn)行判斷后報(bào)警顯示；從左上圖、右上圖和右下圖中可知，設(shè)備在測(cè)試次數(shù)130次以后，設(shè)備已經(jīng)離線，但測(cè)得的供電實(shí)時(shí)電壓值依然約為220V，但此時(shí)的功率接近為0。

6 總結(jié)

經(jīng)過(guò)測(cè)試證明系統(tǒng)運(yùn)行良好，能對(duì)遠(yuǎn)處的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供了優(yōu)良的用戶界面可以直觀、有效地對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)直接在系統(tǒng)上直接顯示，可以精確、細(xì)微地、實(shí)現(xiàn)連續(xù)365天24小時(shí)不間斷監(jiān)管，從而加強(qiáng)了對(duì)企業(yè)進(jìn)行“三廢”處理的力度，保護(hù)我們身邊的青山綠水。