化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計應用研究

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摘要：針對化工廠環(huán)境監(jiān)測特點，設計了一種基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結合的廠內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)對于實現(xiàn)類似化工廠等特殊環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；LoRa無線通信；RS485/232有線通信；B/S架構

引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對工作環(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，有很多學者對其進行了相關研究。文獻[1]基于物聯(lián)網技術，通過多傳感器對室內的溫濕度、聲環(huán)境、光照強度等參數(shù)進行監(jiān)測并預警，設計了基于云平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[2]運用ESP8266Wi-Fi模塊，使用自動組網的方法，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在無線傳感器網絡中的多跳傳輸，達到監(jiān)測圖書館環(huán)境參數(shù)的目的。文獻[3]為了避免同信道干擾，將433MHz頻段傳感器網絡和Wi-Fi技術相結合，設計了一款新型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[4]提出了采用預警算法來提高環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的準確性。但目前針對化工廠的特殊應用環(huán)境，市場上暫無完備的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，且環(huán)境監(jiān)測的各個儀表數(shù)據(jù)獨立、分散，監(jiān)測數(shù)據(jù)收集效率低，監(jiān)測數(shù)據(jù)少，缺乏代表性，不便于綜合評估工廠環(huán)境狀況。針對化工廠生產環(huán)境對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)測系統(tǒng)通過物聯(lián)網技術，基于RS485/232有線通信以及LoRa無線通信相結合的方式，將化工廠內的氨氣濃度、溫濕度、聲環(huán)境等數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)融合，運用B/S架構展示在Web頁面上，以此達到提高數(shù)據(jù)收集的高效性和有效性的目的。

1系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網基礎框架，設計了感知層、網絡層、應用層3層結構。感知層中的節(jié)點設備通過各種類型的傳感器進行聲環(huán)境、溫度以及氨氣濃度值的實時監(jiān)測；網絡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)點集中，然后上傳至云服務器；應用層運用B/S架構實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程查看與監(jiān)控[5]?；S環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點、控制節(jié)點、匯聚節(jié)點和云服務器等組成。為了方便化工廠房內部數(shù)據(jù)的采集，將傳統(tǒng)的RS485/232有線通信與LoRa無線通信方式相結合。LoRa無線通信技術是采用跳頻擴頻的無線通信技術，在信號接收靈敏度、鏈路預算、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[6]，可達到遠程監(jiān)控、提高容錯率的效果。監(jiān)測節(jié)點位于監(jiān)測區(qū)域內，將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa網絡發(fā)送至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點使用4G/Wi-Fi接入Internet網絡，將數(shù)據(jù)傳送至云服務器，同時控制終端可以查詢和設置服務器上的各項參數(shù)，以此達到監(jiān)測的目的。

2系統(tǒng)硬件介紹

本系統(tǒng)選用有線和無線結合方式，監(jiān)測儀器與數(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儀、WBGT熱指數(shù)監(jiān)測儀和噪聲統(tǒng)計分析儀檢測當前車間環(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網絡連接到服務器將數(shù)據(jù)上傳至云端。

3軟件設計

3.1軟件架構

本系統(tǒng)軟件設計分為五大層次，包括數(shù)據(jù)應用層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)存儲層、源數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)通信層。（1）數(shù)據(jù)通信層：分布在化工廠的多個傳感器對數(shù)據(jù)進行實時采樣、分析，然后將監(jiān)測數(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絡（WSN）監(jiān)測站采集到的待發(fā)送的質量監(jiān)測封包數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)通信服務器上，然后按照指定的歸并規(guī)則將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解包與壓縮，最后將合并結果上傳到分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中進行存儲。（2）源數(shù)據(jù)存儲層：源數(shù)據(jù)存儲層主要提供原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與管理功能，通過將數(shù)據(jù)存儲在HDFS中，不僅保證了數(shù)據(jù)存儲的高可靠性、高可擴展性，還充分利用了HDFS在海量數(shù)據(jù)上的存儲、備份、管理優(yōu)勢。數(shù)據(jù)的管理主要通過HDFS提供的各類文件操作接口實現(xiàn)具體的文件管理功能。（3）數(shù)據(jù)存儲層：數(shù)據(jù)存儲層是基于關系型數(shù)據(jù)庫MySQL和分布式數(shù)據(jù)庫HBase設計實現(xiàn)。利用關系型數(shù)據(jù)庫MySQL提供的強大SQL查詢語言以及數(shù)據(jù)多維分析能力，實時統(tǒng)計分析與多維展示最近一段時間內的監(jiān)測數(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期的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄，而通過MySQL的數(shù)據(jù)訪問方式只能訪問到當前MySQL存儲的近期監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄。（5）數(shù)據(jù)應用層：面向終端用戶提供監(jiān)測數(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)測站點、監(jiān)測起始時間進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢；對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標準化處理、綜合計算，得出相應的評價等級。數(shù)據(jù)對比如圖3所示，趨勢預測根據(jù)積累的監(jiān)測大數(shù)據(jù)繪制出各個監(jiān)測指標的變化趨勢圖，從中分析環(huán)境監(jiān)測指標的變化趨勢，研究變化規(guī)律。選擇一個或多個監(jiān)測點、指定歷史記錄數(shù)據(jù)的起始時間、一個或多個監(jiān)測因素進行趨勢預測；超標報警功能是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的特殊情況進行報警提示，其中需要報警的情形包括：監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值超過標準值、監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差及邏輯關系出現(xiàn)異常、預測趨勢指明異常。如果發(fā)現(xiàn)某指標超標則觸發(fā)報警，并在地圖上顯示超標位置。同時，可以設置監(jiān)測時間、報警級別、自動監(jiān)測站名稱，查詢報警信息。化工廠布局圖如圖4所示，地圖上紅色閃爍標識為報警監(jiān)測站點，點擊監(jiān)測站點便可了解詳細信息。

3.2服務器設計

上位機與中央服務器之間的指令、狀態(tài)、信息傳遞通過通信長連接傳輸，傳輸完畢后關閉鏈路，中央服務器的Netty框架在3333端口提供該服務。上位機與中央服務器之間的文件傳輸通過http協(xié)議傳輸，中央服務器的JfinalJavaWeb服務在8080號端口上提供服務。中央服務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絡的服務器端發(fā)送通信長連接請求，可配置采集站的服務器端口號。中央服務器與采集網絡之間的數(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），中央服務器利用FTP服務發(fā)起文件傳輸請求，采集網絡節(jié)點的FTP服務在21端口號上提供服務。該系統(tǒng)使用Shiro作為權限管理框架，處理身份認證、授權和加密，同時使用安全套接層（SecureSocketsLayer，SSL）和傳輸層安全（TransportLayerSecurity，TLS）為用戶提供安全的數(shù)據(jù)訪問和網絡通信。

4結語

本文針對化工廠環(huán)境監(jiān)測難的問題，設計了一款新型的基于RS485/232有線通信的物聯(lián)網系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)監(jiān)測技術，添加了LoRa無線通信功能，為了方便監(jiān)測，軟件服務采用了B/S架構作為設計基礎，使得監(jiān)測到的數(shù)據(jù)多且具普遍性，同時減少了收集數(shù)據(jù)過程中的人力、物力投入。

［參考文獻］

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作者：潘星宏 項明曦 單位：西南科技大學