常國鋒,許利軍

(1.新鄉(xiāng)學院，河南新鄉(xiāng) 453003;2.武漢理工大學，湖北武漢 430070)

0 引言

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢氣排放量逐年增加，工業(yè)廢氣含有一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、煙塵等有毒成分，對環(huán)境造成污染，嚴重威脅人們的健康[1-3]。如何排除地域限制，并對企業(yè)排放的工業(yè)廢氣進行監(jiān)督成為了一個必要的問題[4]。目前，大部分工廠依然采用人工監(jiān)測的方法對工業(yè)廢氣進行定時測量，費時費力，測量誤差大，而且不利于相關部門對企業(yè)排放廢氣是否達標進行監(jiān)督[5]。因此，設計了一套基于阿里云的工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)對工廠排放的工業(yè)廢氣進行連續(xù)測量，測量誤差小，通過互聯網將測量的數據在遠程監(jiān)控客戶端界面上顯示，不受地域限制，可以隨時隨地對工廠排放的廢氣成分進行查看。

1 系統(tǒng)總體方案設計

工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖1所示。系統(tǒng)由工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊、云平臺服務器模塊、遠程監(jiān)測客戶端模塊組成。其中，工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊是以STM32F103單片機作為主控芯片進行開發(fā)設計，主要負責對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、溫濕度等進行監(jiān)測，包括氣體傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等多種傳感器，采用多傳感器信息融合技術對采集的數據進行分析處理并將數據經過互聯網發(fā)送到云平臺服務器模塊，工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊與云平臺服務器模塊通過無線模塊進行通訊；云平臺服務器模塊是基于阿里云進行設計開發(fā)，在阿里云平臺搭建MySQL數據庫、Web服務器，MySQL數據庫用來儲存?zhèn)魉偷皆破脚_服務器的數據，ASP.NET屬于.NET框架，由微軟公司開發(fā)，應用ASP.NET技術進行Web服務器的開發(fā)，進行HTTP請求的接收，實現遠程監(jiān)控客戶端網頁的動態(tài)交互；系統(tǒng)在服務器與客戶端通信架構采用B/S架構[6]，遠程監(jiān)測客戶端模塊采用網頁的形式進行數據的顯示，最終實現工業(yè)廢氣的遠程監(jiān)測。

圖1 工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要包括傳感器信號采集電路、模擬量輸入電路、ESP8266無線模塊電路。其中，傳感器信號采集電路包括氣體信號采集電路、煙霧信號采集電路、溫濕度信號采集電路，主要負責采集工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、廢氣溫濕度信號數據，因為傳感器輸出的模擬量信號為0～5 V，STM32F103主控芯片輸入電壓為3.3 V，所以傳感器信號需經過模擬量輸入電路進行信號放大，才能輸入STM32F103主控芯片A/D引腳，在主控芯片內部進行數據的分析與處理；模擬量輸入電路負責將0～5 V電壓信號縮小至0～3.3 V電壓；ESP8266無線模塊負責STM32F103主控芯片與云平臺服務器的通訊。系統(tǒng)硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設計框圖

2.1 氣體信號采集電路

工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用MQ-7一氧化碳傳感器對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量進行監(jiān)測。MQ-7利用高低溫循環(huán)進行檢測的方法，當工業(yè)廢氣溫度較低時，主要對工業(yè)廢氣中的一氧化碳進行檢測，傳感器的電導率隨著工業(yè)廢氣中一氧化碳含量的增加而增大；當工業(yè)廢氣溫度較高時，對低溫吸附的氣體進行清洗[7-8]。MQ-7一氧化碳傳感器檢測一氧化碳濃度為10～1 000 ppm，輸出電壓為0～5 V，一氧化碳濃度越高，輸出模擬量電壓越高，其電阻的變化反映了一氧化碳濃度的變化，所以信號采集電路的分壓電路為MQ-7一氧化碳傳感器與電阻進行串聯，經過多次試驗，得出串聯電阻為20 kΩ輸出效果最佳。

2.2 溫濕度傳感器

因工業(yè)廢氣溫度最高為80 ℃左右，所以系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器對工業(yè)廢氣的溫濕度進行測量。HTU21D溫濕度傳感器溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為0～100%，具有測量準確、運行穩(wěn)定、響應時間短、功耗低的特點[9]，與STM32F103主控芯片通過I2C進行通訊，HTU21D溫濕度傳感器與主控芯片通訊電路原理圖如圖3所示。

圖3 HTU21D溫濕度傳感器與主控芯片通訊電路原理圖

2.3 煙霧信號采集電路

煙霧檢測模塊以BH1750光照度傳感器為核心對工業(yè)廢氣煙霧濃度進行檢測。系統(tǒng)采用BH1750光照度傳感器利用不同煙霧濃度廢氣對光的漫反射率不同進行煙霧濃度檢測，當煙霧濃度增加時，光照度減小，反之，光照度增加，光照度檢測范圍為11～-65 536 lx。BH1750光照度傳感器與STM32F103主控芯片通過I2C進行通訊。

2.4 模擬量輸入電路

本系統(tǒng)采用LM324放大器對輸入的模擬量信號進行放大，其電路原理圖如圖4所示。采用輸入輸出雙二極管鉗位電路設計，保證輸入到STM32F103主控芯片的電壓保持在0～3.3 V之間。

圖4 模擬量輸入電路原理圖

2.5 無線模塊

在控制系統(tǒng)中，采用ESP8266模塊進行各個功能模塊與主控芯片的數據傳輸，模塊內置32位的ESP32MCU、TCP/IP通信協議棧，能夠將串口數據或者有TTL電平特征的數據轉換成無線網絡，從而可以實現數據的傳輸，ESP8266無線模塊與主控芯片通過串口進行數據的傳輸[10-12]。本監(jiān)測系統(tǒng)中將與各個傳感器相連的ESP無線模塊設置為客戶端，將主控模塊的ESP8266無線模塊設置為服務器，實現各個傳感器模塊與主控模塊的數據傳輸。ESP8266無線模塊的外圍電路如圖5所示。

圖5 ESP8266無線模塊的外圍電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計在工業(yè)廢氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)中占據重要的位置，包括工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設計、云平臺服務器模塊程序設計、遠程監(jiān)測客戶端模塊程序設計。

3.1 工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊

工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設計包括傳感器數據采集、傳感器數據處理、ESP8266無線模塊數據發(fā)送程序等。工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊首先是系統(tǒng)上電并進行系統(tǒng)初始化操作，系統(tǒng)初始化完成之后進行傳感器數據的采集及數據處理，通過串口將處理之后的數據從STM32F103主控芯片發(fā)送到ESP8266無線模塊，最終將數據通過互聯網發(fā)送到云平臺服務器模塊，在系統(tǒng)沒有停止信號時，重復以上動作。工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊程序設計流程圖

3.2 云平臺服務器模塊

云平臺服務器模塊選擇B/S架構作為遠程客戶端與服務器之間通信的開發(fā)架構[13-14]，主要包括數據的接收，數據在MySQL數據庫中保存、提取，與遠程監(jiān)測客戶端模塊數據的交互等。當云平臺服務器接收到工業(yè)廢氣監(jiān)測模塊發(fā)送的數據，進行數據的保存，并將保存的數據在遠程監(jiān)控客戶端界面上顯示，實現與遠程監(jiān)控客戶端的數據交互。云平臺服務器模塊程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 云平臺服務器模塊程序設計流程圖

3.3 遠程監(jiān)測客戶端模塊

遠程監(jiān)測客戶端模塊程序設計采用HTML5+CSS3+JavaScript進行客戶端界面的開發(fā)，在HTML5基礎上，利用CSS3實現對靜態(tài)樣式設計，美化界面，利用JavaScript實現界面的動態(tài)特性，使客戶端界面在滿足最基本的監(jiān)控要求的基礎上，界面更加美觀。遠程監(jiān)測客戶端包括系統(tǒng)登錄界面、系統(tǒng)簡介、個人中心、系統(tǒng)實時監(jiān)控界面。遠程監(jiān)測客戶端模塊整體框圖如圖8所示。

圖8 遠程監(jiān)測客戶端模塊整體框圖

4 系統(tǒng)測試

在工業(yè)現場和實驗室搭建系統(tǒng)測試實驗平臺對系統(tǒng)進行性能測試。

4.1 無線模塊性能測試

在對系統(tǒng)中，利用串口調試助手對ESP8266無線模塊收發(fā)數據進行調試，實現ESP8266無線模塊與路由器的通訊，ESP8266無線模塊調試成功界面如圖9所示。

圖9 ESP8266無線模塊調試成功界面

4.2 遠程監(jiān)測客戶端性能測試

本系統(tǒng)遠程監(jiān)測客戶端為網絡界面，經過性能測試，遠程客戶端可以滿足工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、準確性的要求。每隔1 h對工業(yè)廢氣進行1次測量，通過對比標準儀器與本系統(tǒng)采集的一氧化碳含量值等，對系統(tǒng)的測量精度進行檢驗，實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據對比表

由表1可知，通過對5個時間點的測量，CO含量測量相對誤差最大為0.27%，煙霧濃度相對誤差最大為0.49%，廢氣溫度測量相對誤差最大為0.06%，廢氣濕度相對誤差最大為0.14%。則系統(tǒng)最大測量誤差為0.49%，滿足系統(tǒng)1%測量精度需求。

5 結束語

本文提出了基于阿里云的工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計，將云平臺技術與物聯網技術相結合，并在工業(yè)廢氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)中應用。系統(tǒng)通過傳感器對工業(yè)廢氣中一氧化碳含量、煙霧濃度、溫濕度等進行監(jiān)測，測量精度高達0.49%，通過ESP8266無線模塊將數據發(fā)送到云平臺服務器，將數據保存到MySQL數據庫，應用Ajax技術實現與遠程監(jiān)測客戶端的數據交互，最終實現工業(yè)廢氣的遠程監(jiān)測。系統(tǒng)經過長時間運行，數據測量精度、數據顯示實時性、準確性均滿足要求。