盛裕民，聶曉根，呂建鋒，林鴻穎

(福州大學機械工程及自動化學院,福建 福州 350108)

0 引言

隨著我國對綠色發(fā)展與生態(tài)文明建設的不斷重視，居民與環(huán)境的和諧共處也越來越受到關注。城市生活垃圾轉運站作為垃圾處理過程的中心環(huán)節(jié)，對居民生活環(huán)境以及垃圾處理效率都有著舉足輕重的影響[1]。

垃圾轉運站主要用于將垃圾清運車收集的各處城市生活垃圾進行壓縮轉運，從而提高垃圾轉運效率。而在垃圾壓縮過程中，會產(chǎn)生影響空氣質量的廢氣以及滲濾液。因此，需要對轉運站內的廢氣、滲濾液進行排放管控。根據(jù)1996年頒布的《大氣污染物排放標準》，廢氣的排放需要對硫化氫、氨氣、二硫化碳等惡臭氣體進行控制，排放標準采用二類區(qū)場界濃度值。而滲濾液中的CODCR、BOD5、pH值、懸浮物等的排放需要符合1996年發(fā)布的《污水綜合排放標準》。傳統(tǒng)的廢水廢氣監(jiān)管方式是由有關部門定期到現(xiàn)場進行監(jiān)測，需要耗費大量的人工成本，并且不能確保未檢測期間的排放達標情況。

目前，大部分生活垃圾轉運站的監(jiān)控系統(tǒng)采用抗干擾性強的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)[2]，通過有線傳輸方式，由現(xiàn)場總線協(xié)議采集現(xiàn)場參數(shù)，并利用組態(tài)王等組態(tài)軟件實現(xiàn)參數(shù)的可視化[3-4]。該方法雖然一定程度地提高了垃圾轉運站的自動化水平，但采用的還是實時的局域網(wǎng)絡，仍然需要專人現(xiàn)場值守，以確保排放達標，且無法查看歷史排放記錄。同時，該方法需要在現(xiàn)場設置大量的環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點。而由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，難以進行線路部署，線路存在老化現(xiàn)象，且后期的維護成本較高[5]。因此，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式難以滿足生活垃圾轉運站綠色、智能化運行的要求。

為此，本文設計了1種基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術與云平臺技術的垃圾轉運站遠程監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)管人員可以通過現(xiàn)場的遠程監(jiān)控中心或者手機等移動設備，以網(wǎng)頁的形式實時監(jiān)測垃圾轉運站環(huán)境參數(shù)。該設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)透明化、可追溯化，彌補了以往監(jiān)測系統(tǒng)的不足。

1 系統(tǒng)總體設計

基于ZigBee及云平臺的垃圾轉運站遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體架構分為感知層、數(shù)據(jù)網(wǎng)關層、云平臺層、應用層。垃圾轉運站遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 垃圾轉運站遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 General structure of remote monitoring system for waste transfer station

感知層中的采集節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點與各種傳感器組成，負責采集垃圾轉運站內環(huán)境排放數(shù)據(jù)，如廢水pH值、廢氣中氨氣含量值、環(huán)境溫度值等。數(shù)據(jù)網(wǎng)關層由ZigBee協(xié)調器節(jié)點與Wi-Fi模塊及路由器組成。協(xié)調器節(jié)點負責收集各采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送出去。Wi-Fi模塊負責接收并整合來自協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過Wi-Fi協(xié)議發(fā)送出去，由路由器收集數(shù)據(jù)并發(fā)送給云平臺層。云平臺層搭載了云服務器與數(shù)據(jù)庫服務器，通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)與路由器進行數(shù)據(jù)交互，負責儲存上傳的數(shù)據(jù)并建立網(wǎng)頁可視化界面。監(jiān)管人員/管理員等均可采用手機等遠程終端，以網(wǎng)頁形式訪問云平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場排放環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與歷史排放數(shù)據(jù)的查看。

2 系統(tǒng)硬件設計

利用無線傳輸?shù)姆绞酵瓿蓴?shù)據(jù)傳輸，不僅節(jié)約了布線成本，還減少了網(wǎng)絡組建和網(wǎng)絡擴張的時間成本[6]。因此,本系統(tǒng)采用在轉運站內搭建現(xiàn)場的無線采集網(wǎng)絡方式，不僅需要選用無線通信協(xié)議，還需選用傳感器并完成其電路設計。目前,無線通信技術有遠距離無線電(long range radio，LoRa)、ZigBee、藍牙、Wi-Fi、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IoT)等。而國內大部分垃圾轉運站均是中小型規(guī)模，因此往往選用短距離、低延時的ZigBee通信協(xié)議。但是ZigBee建立的依然是局域網(wǎng)絡，采集的數(shù)據(jù)收集在協(xié)調器中，無法與現(xiàn)場具有的路由器網(wǎng)絡連接進而無法與云平臺進行通信。轉運站內路由器采用的是家庭常用的Wi-Fi協(xié)議路由器。因此，本系統(tǒng)利用協(xié)調器與Wi-Fi模塊進行組合，形成數(shù)據(jù)網(wǎng)關。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用德儀TI CC2530模塊。TI CC2530模塊內部集成8051 CPU內核和SAM天線[6]，可以實現(xiàn)對模塊的編程開發(fā)以及數(shù)據(jù)的無線傳輸。同時，模塊支持ZigBee協(xié)議棧，能簡化網(wǎng)絡編程工作。模塊的無線網(wǎng)絡工作于2.4 GHz頻道，能保證環(huán)境數(shù)據(jù)上傳的實時性。模塊具有12位模數(shù)轉換器(analog to digital converter，ADC)轉化模塊[7]，可將處理好的傳感器(如pH值傳感器)發(fā)出的模擬量轉換為芯片可識別的數(shù)字量。CC2530工作電壓為3.3 V，大部分傳感器由ZigBee模塊直接供電，而部分傳感器的工作電壓為5 V，因此需要ZigBee模塊能提供5 V和3.3 V的直流電壓。為此，本設計選用TI公司的TPS73033穩(wěn)壓芯片。此款芯片采用小外形晶體管貼片(small outline transistor，SOT)封裝方式，具有5個引腳，可提供1.8～3.3 V的穩(wěn)定電壓。ZigBee穩(wěn)壓電路原理如圖2所示。

圖2 ZigBee穩(wěn)壓電路原理圖Fig.2 ZigBee voltage regulator circuit schematic

2.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選擇樂鑫的ESP8266WIFI芯片。該芯片的特點是成本低、功耗低、集成了TCP/IP協(xié)議棧[8]、支持軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)開源、學習資料豐富，不僅可以獨立搭載軟件應用，還可以作為主控微控制單元(micro control unit，MCU)協(xié)同工具的Wi-Fi解決方案。 本系統(tǒng)采用后1種開發(fā)模式。Wi-Fi模塊與主控芯片采用通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)通信，并將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)轉發(fā)給路由器。ZigBee協(xié)調器節(jié)點與Wi-Fi模塊連接如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)調器節(jié)點與Wi-Fi模塊連接圖Fig.3 ZigBee coordinator node and Wi-Fi module connection diagram

2.3 傳感器模塊

由垃圾轉運站廢水廢氣排放標準可知，本系統(tǒng)需要對廢氣中的氨氣、硫化氫等以及滲濾液中的pH值、BOD5值等進行監(jiān)控。這些參數(shù)都可以通過相應的傳感器進行檢測。傳感器通常輸出的是模擬電壓量或者數(shù)字量。如pH值傳感器輸出的是模擬量，而溫度傳感器輸出的是數(shù)字量。模擬量輸出傳感器可通過ZigBee自帶的ADC模塊進行轉化，數(shù)字量直接接入輸入/輸出(input/output,I/O)口。某些特殊的傳感器(如氨氣傳感器)，通過RS-485與ZigBee通信。因此，傳感器模塊主要介紹pH值檢測模塊、DHT11溫度檢測模塊和氨氣檢測模塊，其他均類似而不再贅述。

2.3.1 pH值檢測模塊

轉運站內水質pH限定值為6～9。因此，pH值檢測模塊選用雷磁的E-201-C pH復合電極。E-201-C pH復合電極工作溫度為5～60 ℃，pH值測量范圍為0～14。復合電極測量過程中輸出0～414.12 mV模擬電壓信號，再通過運算放大電路放大至ZigBee可識別的0～3.3 V模擬電壓信號。放大電路芯片選用TI的TLC4502雙路高性能高阻運放。pH值檢測模塊電路原理如圖4所示。

圖4 pH值檢測模塊電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of pH value detection module

2.3.2 氨氣檢測模塊

氨氣傳感器與終端節(jié)點通信電路如圖5所示。

圖5 氨氣傳感器與終端節(jié)點通信電路圖Fig.5 Ammonia sensor and terminal node communication circuit diagram

轉運站內的氨氣限定值為小于2.0 ×10-6。因此，氨氣檢測模塊直接選用中安電子的氨氣監(jiān)測方案。該方案工作電壓為24 V，檢測范圍為0～10×10-6，分辨率達到0.05×10-6。整個氨氣檢測模塊主要以三電極氨氣傳感器為內核，外部搭建運放電路及RS-485串口傳輸模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及通信。而ZigBee只能采用UART或串口進行通信，因此需要UART轉RS-485電路以滿足通信需求。轉換電路采用Maxim公司的MAX485作為轉換芯片。MAX485芯片具有8個引腳，采用小外形封裝(small outline package，SOP)的封裝方式，器件工作于半雙工，在5 V單電源下的最高傳輸速度可達2.5 bit/s。

2.3.3 溫度檢測模塊

轉運站內水質溫度一般為室溫25 ℃左右，因此溫度檢測模塊使用DHT11溫濕度傳感器作為轉運站內環(huán)境溫度檢測模塊。DHT11是數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，可直接與終端節(jié)點的I/O口(P1.0口)連接通信。DHT11相對濕度測量范圍在20～90%RH,溫度測量范圍在0～50 ℃。DHT11濕溫度傳感器模塊采用4針單排引腳封裝。DHT11的最大特色是采用單線制雙向串口通信。溫度傳感器與終端節(jié)點通信電路如圖6所示。

圖6 溫度傳感器與終端節(jié)點通信電路圖Fig.6 Temperature sensor and terminal node communication circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要分為3個部分，分別是ZigBee組網(wǎng)、Wi-Fi傳輸與云平臺軟件。

3.1 ZigBee組網(wǎng)

ZigBee組網(wǎng)技術支持自組網(wǎng)的無線通信，ZigBee組網(wǎng)時，要先自定義組網(wǎng)的網(wǎng)絡結構。ZigBee可支持的網(wǎng)絡結構主要分為3種類型，分別為星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[6]。綜合垃圾轉運站現(xiàn)場工況及各方面情況，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓撲結構。網(wǎng)狀拓撲結構具有通信距離遠、多級連接、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等優(yōu)點。轉運站ZigBee組網(wǎng)如圖7所示。

圖7 轉運站ZigBee組網(wǎng)圖Fig.7 ZigBee network diagram of transfer station

垃圾轉運站現(xiàn)場ZigBee無線網(wǎng)絡組網(wǎng)流程如圖8所示。

圖8 ZigBee無線網(wǎng)絡組網(wǎng)流程圖Fig.8 Flowchart of ZigBee wireless network networking

ZigBee無線網(wǎng)絡組網(wǎng)步驟如下。

①對協(xié)調器進行初始化，包括時鐘、串口等。

②協(xié)調器節(jié)點將被設置為網(wǎng)絡基站，形成初始的ZigBee網(wǎng)絡。

③終端節(jié)點依次進入此網(wǎng)絡并獲得媒體存取控制位(media access control address,Mac)地址，形成完整的ZigBee網(wǎng)絡。

④組網(wǎng)完成后，對傳感器驅動進行初始化。

本文以2.3節(jié)介紹的3個傳感器模塊為例進行分析。以pH傳感器為代表的模擬量輸出傳感器通過配置I/O與ADC模塊進行初始化。氨氣傳感器采用MODBUS通信協(xié)議結合串口進行通信。終端節(jié)點通過UART向傳感器發(fā)送查詢指令0x03。傳感器接收到指令后進行1次檢測操作，并返回數(shù)值給終端節(jié)點。以DHT11溫濕度傳感器為代表的數(shù)字量輸出傳感器只需要配置I/O口后校驗時序即可。傳感器初始化后，終端節(jié)點設置定時中斷。由于垃圾壓縮過程中廢氣廢液的產(chǎn)生速率較慢，濃度變化速率不快，因此設置60 s采集1次傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調器。協(xié)調器接收數(shù)據(jù)并按端點地址進行分類存儲后，通過串口發(fā)送給ESP8266模塊。整個組網(wǎng)流程均采用與TI CC2530配套的Z-Stack協(xié)議棧配合操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstract layer,OSAL)操作系統(tǒng)的形式。用戶只需在IAR Embeded Workbench開發(fā)環(huán)境中通過調用相應的應用程序接口(application programming interface,API)即可進行網(wǎng)絡配置及程序編寫，實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)透明傳輸。

3.2 Wi-Fi傳輸

為了轉發(fā)協(xié)調器收集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用ESP8266 Wi-Fi模塊，因此只需進行數(shù)據(jù)透傳即可。但網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸是很復雜的過程，需要對開放系統(tǒng)互聯(lián)(open system interconnection,OSI)七層模型均進行設置。AT指令是1組已封裝好的接口指令。AT指令為了簡化終端設備網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)至計算機應用上所需的復雜的網(wǎng)絡編程過程，將網(wǎng)絡編程轉化為簡單的串口編程，能極大減輕開發(fā)難度[9]。因此，本文采用AT指令對模塊進行編寫。

Wi-Fi傳輸?shù)闹饕绦蛉缦隆?/p>

void ZigBee_2_ESP8266_Init(void)

{

USART_Init();

SendStr2ESP(“AT+CWMODE=1 ”);

SendStr2ESP (“AT+CWJAP=“TP-LINK_3761”,“qweasdzxc” ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPMUX=0 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPSTART=“UDP”,“116.62.***.**”,8889，10001,0 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPMODE=1 ”);

SendStr2ESP (“AT+CIPSEND ”);

}

程序步驟如下。

①對串口進行初始化，再通過AT指令設置ESP8266為station模式，并輸入路由器名與密碼，連接現(xiàn)場路由器TP-LINK_3761。

②將連接模式設置為單連接模式，連接協(xié)議設置為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol,UDP)連接。

③設定本地端口號與終端端口號及其IP地址，并將傳輸模式設置為透傳模式。

④開啟連接，進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 云平臺

云平臺各模塊通信關系如圖9所示。

圖9 云平臺各模塊通信關系圖Fig.9 Communication diagram of each module of cloud platform

云平臺設計是整個垃圾轉運站監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分。之前所有現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)最終都將到達云端，并進行合理的業(yè)務邏輯組合。處理后的數(shù)據(jù)對用戶發(fā)布。本文系統(tǒng)采用阿里云服務器作為云服務器。云服務器主要分為3個部分，分別為網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。

3.3.1 網(wǎng)絡通信模塊

網(wǎng)絡上，2個程序之間的通信是通過各自的端口在1個雙向通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換來完成的，即TCP/IP傳輸層上進行的端到端的通信。云服務器與路由器均處于傳輸層下，因此可以采用傳輸層的Socket套接字技術將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至云平臺。它的底層仍然是TCP/IP協(xié)議族[10]，只是封裝成接口形式，需要設置服務器/客戶端。本文系統(tǒng)中，服務器端為阿里云服務器，客戶端為現(xiàn)場路由器。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫模塊

垃圾轉運站中控系統(tǒng)的可視化平臺總共需要顯示5類數(shù)據(jù)，分別為廢氣、廢水、噪音、溫濕度和繼電器狀態(tài)。對于廢水、廢氣、噪音和溫濕度這4類數(shù)據(jù)，需要實現(xiàn)實時顯示檢測數(shù)值及最近1 h內數(shù)據(jù)達標率的功能。因此，數(shù)據(jù)庫中都應該包含這些類型的數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)(如廢氣中的氨氣)都具有檢測數(shù)值、檢測結果和檢測時間這3種屬性。由于MySQL數(shù)據(jù)庫具有性能較好、無需付費、易上手、占用空間少等優(yōu)點[11]，本文數(shù)據(jù)庫模塊選用MySQL數(shù)據(jù)庫。每分鐘通過調用mysql_query()API函數(shù)執(zhí)行SQL語言插入，將云服務器收集的、由路由器發(fā)來的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)轉存至數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存功能。

3.3.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊則選用Grafana可視化檢測工具。Grafana可視化檢測工具采用GO語言開發(fā)，可兼容MySQL數(shù)據(jù)庫[12]。Grafana主要開發(fā)功能如圖10所示。

圖10 Grafanay主要開發(fā)功能圖Fig.10 Grafany mian development function diagram

4 系統(tǒng)試驗

4.1 無線傳輸數(shù)據(jù)試驗

無線傳輸數(shù)據(jù)試驗首先進行ZigBee組網(wǎng)，將終端節(jié)點放置在實驗室的各個角落，并人為增加遮擋物的模擬實際現(xiàn)場設備遮擋的情況。然后，試驗啟動協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點，開始建網(wǎng)和設備入網(wǎng)的過程。在此過程中，通過觀察ZigBee模塊上液態(tài)晶體顯示屏(liquid crystal display,LCD)顯示的內容便可了解設備是否成功入網(wǎng)。當協(xié)調器LCD顯示“ZigBee Coord Network ID:FFF1”，則表示協(xié)調器建網(wǎng)成功。當路由器節(jié)點LCD屏幕顯示“Router： XXXX(4位16進制數(shù))Parent:0”則表示路由器節(jié)點入網(wǎng)成功。當終端節(jié)點LCD屏幕顯示“EndDevice:XXXX(4位16進制數(shù))Parent:0”則表示終端節(jié)點入網(wǎng)成功。終端節(jié)點設備每分鐘采集1次傳感器數(shù)值并向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調器收到數(shù)據(jù)后再通過串口發(fā)往數(shù)據(jù)網(wǎng)關模塊。在發(fā)送過程中，通過計算機端的串口助手來觀察協(xié)調器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。其格式為“[16:56:57.159]收1 2 7.52 OK”。其中：“1”表示終端節(jié)點編號；“2”表示該節(jié)點內的2號傳感器，為pH值傳感器；“7.52”表示pH值大?。弧癘K”表示測量值在合格范圍內(pH值在6～9為合格)。

以pH值檢測為例，首先在云端控制臺成功接收5次ZigBee每隔60 s自動發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，人為將ZigBee終端模塊與協(xié)調器模塊斷開連接。等待一段時間后重新連接，并觀察重連是否成功。在重連后，觀察ZigBee是否可以繼續(xù)采集pH值，并向云端發(fā)送數(shù)據(jù)。云端數(shù)據(jù)控制臺接收數(shù)據(jù)過程中，當人為斷開終端模塊與協(xié)調器模塊2 min并重連后，云端數(shù)據(jù)控制臺能重新接收pH值數(shù)據(jù)并顯示，即表明數(shù)據(jù)采集的智能化與傳輸可靠性測試成功。

4.2 云平臺服務試驗

人為干預后氨氣濃度波動如圖11所示。

圖11 人為干預后氨氣濃度波動圖Fig.11 Ammonia concentration fluctuation after human intervention

用戶通過瀏覽器登入相應網(wǎng)頁后，即可看見Grafana建立的可視化界面。用戶可通過其界面觀測垃圾轉運站內的環(huán)境數(shù)據(jù)，如pH值、氨氣值等，無需專人現(xiàn)場值守觀察轉運站現(xiàn)場排放環(huán)境數(shù)據(jù)。同時，有關部門監(jiān)管人員也可通過此界面監(jiān)測轉運站內排放情況，省去大量人工檢測成本。鏈接好數(shù)據(jù)庫的Grafana具有歷史數(shù)據(jù)追溯功能，可選擇所需查看的日期，轉存EXCEL表格查看歷史排放數(shù)據(jù)。

以氨氣值為例，當人為干擾氨氣傳感器致使檢測值提高時，Grafana的數(shù)據(jù)面板上對應曲線出現(xiàn)了相應波動。這證明了本文系統(tǒng)的實時性。

5 結論

本文設計了1種基于ZigBee與云平臺的垃圾轉運站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)垃圾轉運站監(jiān)測系統(tǒng)處于局域網(wǎng)監(jiān)測階段并采用有線監(jiān)測采集網(wǎng)絡存在的布線復雜、后期維護困難、需要人工值守、造成多余人工成本等問題提供有效可行的解決方案。該系統(tǒng)結合多傳感器、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)云平臺等多項技術，保證垃圾轉運站內環(huán)境數(shù)據(jù)能夠被遠程實時監(jiān)測。ZigBee網(wǎng)絡布局靈活，克服了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，提高了系統(tǒng)的適用性。同時，本設計通過云平臺技術，可以實現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁形式遠程實時監(jiān)管轉運站內環(huán)境參數(shù)的功能，彌補了ZigBee網(wǎng)絡近距離局域通信的不足，具有一定的推廣價值。