化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。

摘要：針對(duì)化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結(jié)合的廠內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)類似化工廠等特殊環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測(cè)具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；LoRa無線通信；RS485/232有線通信；B/S架構(gòu)

引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)工作環(huán)境也提出了越來越高的要求。為了保證工作環(huán)境的舒適度，有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過多傳感器對(duì)室內(nèi)的溫濕度、聲環(huán)境、光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)警，設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用ESP8266Wi-Fi模塊，使用自動(dòng)組網(wǎng)的方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳傳輸，達(dá)到監(jiān)測(cè)圖書館環(huán)境參數(shù)的目的。文獻(xiàn)[3]為了避免同信道干擾，將433MHz頻段傳感器網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款新型的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了采用預(yù)警算法來提高環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性。但目前針對(duì)化工廠的特殊應(yīng)用環(huán)境，市場(chǎng)上暫無完備的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且環(huán)境監(jiān)測(cè)的各個(gè)儀表數(shù)據(jù)獨(dú)立、分散，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集效率低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，缺乏代表性，不便于綜合評(píng)估工廠環(huán)境狀況。針對(duì)化工廠生產(chǎn)環(huán)境對(duì)工人的身體健康影響較大的現(xiàn)狀，本文介紹的化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結(jié)合的方式，將化工廠內(nèi)的氨氣濃度、溫濕度、聲環(huán)境等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，運(yùn)用B/S架構(gòu)展示在Web頁面上，以此達(dá)到提高數(shù)據(jù)收集的高效性和有效性的目的。

1系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架，設(shè)計(jì)了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。感知層中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過各種類型的傳感器進(jìn)行聲環(huán)境、溫度以及氨氣濃度值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)層通過總線形式收集各傳感器數(shù)據(jù)，并將端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至中心節(jié)點(diǎn)集中，然后上傳至云服務(wù)器；應(yīng)用層運(yùn)用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看與監(jiān)控[5]。化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)器等組成。為了方便化工廠房?jī)?nèi)部數(shù)據(jù)的采集，將傳統(tǒng)的RS485/232有線通信與LoRa無線通信方式相結(jié)合。LoRa無線通信技術(shù)是采用跳頻擴(kuò)頻的無線通信技術(shù)，在信號(hào)接收靈敏度、鏈路預(yù)算、覆蓋范圍、傳輸速度、抗干擾能力方面均優(yōu)于現(xiàn)在常用的Sigfox、LTE-M、Zigbee等無線通信技術(shù)[6]，可達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、提高容錯(cuò)率的效果。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)使用4G/Wi-Fi接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至云服務(wù)器，同時(shí)控制終端可以查詢和設(shè)置服務(wù)器上的各項(xiàng)參數(shù)，以此達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

2系統(tǒng)硬件介紹

本系統(tǒng)選用有線和無線結(jié)合方式，監(jiān)測(cè)儀器與數(shù)據(jù)采集器之間使用RS485/232總線方式連接，數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間使用遠(yuǎn)距離無線傳輸（LoRa）方式連接。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示，高精度固定式氨氣檢測(cè)儀、WBGT熱指數(shù)監(jiān)測(cè)儀和噪聲統(tǒng)計(jì)分析儀檢測(cè)當(dāng)前車間環(huán)境數(shù)據(jù)，通過RS485/232總線將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器后，用LoRa無線連接到數(shù)據(jù)集中器，最終數(shù)據(jù)集中器通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至云端。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為五大層次，包括數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)通信層。（1）數(shù)據(jù)通信層：分布在化工廠的多個(gè)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、分析，然后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)封裝后等待發(fā)送。數(shù)據(jù)通信層主要將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）監(jiān)測(cè)站采集到的待發(fā)送的質(zhì)量監(jiān)測(cè)封包數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)通信服務(wù)器上，然后按照指定的歸并規(guī)則將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包與壓縮，最后將合并結(jié)果上傳到分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中進(jìn)行存儲(chǔ)。（2）源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要提供原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理功能，通過將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HDFS中，不僅保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高可靠性、高可擴(kuò)展性，還充分利用了HDFS在海量數(shù)據(jù)上的存儲(chǔ)、備份、管理優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)的管理主要通過HDFS提供的各類文件操作接口實(shí)現(xiàn)具體的文件管理功能。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)HBase設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL提供的強(qiáng)大SQL查詢語言以及數(shù)據(jù)多維分析能力，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析與多維展示最近一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層主要包括基于HBase的數(shù)據(jù)訪問和基于MySQL的數(shù)據(jù)訪問，其中通過HBase的數(shù)據(jù)訪問方式可以訪問所有歷史時(shí)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄，而通過MySQL的數(shù)據(jù)訪問方式只能訪問到當(dāng)前MySQL存儲(chǔ)的近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄。（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：面向終端用戶提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢分析展示功能。數(shù)據(jù)查詢功能根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)起始時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢；對(duì)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、綜合計(jì)算，得出相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示，趨勢(shì)預(yù)測(cè)根據(jù)積累的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)繪制出各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)圖，從中分析環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，研究變化規(guī)律。選擇一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、指定歷史記錄數(shù)據(jù)的起始時(shí)間、一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)因素進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)；超標(biāo)報(bào)警功能是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特殊情況進(jìn)行報(bào)警提示，其中需要報(bào)警的情形包括：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值超過標(biāo)準(zhǔn)值、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差及邏輯關(guān)系出現(xiàn)異常、預(yù)測(cè)趨勢(shì)指明異常。如果發(fā)現(xiàn)某指標(biāo)超標(biāo)則觸發(fā)報(bào)警，并在地圖上顯示超標(biāo)位置。同時(shí)，可以設(shè)置監(jiān)測(cè)時(shí)間、報(bào)警級(jí)別、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站名稱，查詢報(bào)警信息。化工廠布局圖如圖4所示，地圖上紅色閃爍標(biāo)識(shí)為報(bào)警監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)站點(diǎn)便可了解詳細(xì)信息。

3.2服務(wù)器設(shè)計(jì)

上位機(jī)與中央服務(wù)器之間的指令、狀態(tài)、信息傳遞通過通信長(zhǎng)連接傳輸，傳輸完畢后關(guān)閉鏈路，中央服務(wù)器的Netty框架在3333端口提供該服務(wù)。上位機(jī)與中央服務(wù)器之間的文件傳輸通過http協(xié)議傳輸，中央服務(wù)器的JfinalJavaWeb服務(wù)在8080號(hào)端口上提供服務(wù)。中央服務(wù)器與采集站之間的指令、狀態(tài)、信息傳輸利用Netty框架的ChannelHandlerAdapter作為客戶端向采集網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端發(fā)送通信長(zhǎng)連接請(qǐng)求，可配置采集站的服務(wù)器端口號(hào)。中央服務(wù)器與采集網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸依托于各種硬件接口，使用json協(xié)議，涉及文件傳輸使用文件傳輸協(xié)議（FileTransferProtocol，F(xiàn)TP），中央服務(wù)器利用FTP服務(wù)發(fā)起文件傳輸請(qǐng)求，采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的FTP服務(wù)在21端口號(hào)上提供服務(wù)。該系統(tǒng)使用Shiro作為權(quán)限管理框架，處理身份認(rèn)證、授權(quán)和加密，同時(shí)使用安全套接層（SecureSocketsLayer，SSL）和傳輸層安全（TransportLayerSecurity，TLS）為用戶提供安全的數(shù)據(jù)訪問和網(wǎng)絡(luò)通信。

4結(jié)語

本文針對(duì)化工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)難的問題，設(shè)計(jì)了一款新型的基于RS485/232有線通信的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，添加了LoRa無線通信功能，為了方便監(jiān)測(cè)，軟件服務(wù)采用了B/S架構(gòu)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，使得監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)多且具普遍性，同時(shí)減少了收集數(shù)據(jù)過程中的人力、物力投入。

［參考文獻(xiàn)］

[1]劉雄飛，聶偉，陳浩，等.基于云計(jì)算平臺(tái)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（3）：92-95.

[2]王棟，袁偉，吳迪.基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2018，45（Z2）：532-534.

[3]陳鐿，王紹源，陳清華.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（9）：79-83.

[4]孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（1）：87-90.

[5]周廷美，賀卉娟，莫易敏.基于B/S的物料管理信息系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2018（2）：24-28.

[6]張濤，張晶，陳凱，等.基于LoRa節(jié)點(diǎn)協(xié)作的低延遲數(shù)據(jù)傳輸方法[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，49（1）：88-92.

作者：潘星宏 項(xiàng)明曦 單位：西南科技大學(xué)