基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與監測系統的研制

賈榮媛　王宜懷　王小寧

摘 要：此文設計并實現了基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與監測系統。本系統框架總體分為三層，終端層在每個凈化器內嵌入智能節點，采用飛思卡爾的MKW01Z128（簡稱KW01）作為控制芯片，負責信息狀態采集與Zigbee通信；中間層為主控器節點，采用K60作為主控芯片，同時使用KW01芯片作為通信芯片，實現與終端節點的無線數據傳輸；服務器層作為數據處理與存儲的中心，實現了安全的訪問控制，并通過ASP技術為不同的用戶提供其所需的實時系統運行情況，和系統輸出大氣的質量。

關鍵詞：空氣凈化；物聯網；MKW01Z128；無線通信；Web

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：B

1 引言（Introduction）

近年來我國的環境污染呈現加劇之勢，廢氣處理情況堪憂，一方面廢氣處理凈化設備技術低下，廢氣處理效率低，導致處理后的廢氣不達標；另一方面廢氣處理凈化設備信息孤立，當廢氣處理凈化設備老化或者故障時，不能及時進行檢修；另外缺乏強有力的監督機制和監督手段，有限的執法機構和執法人員不足以遏制廢氣排放的查處。

針對以上問題本文提出了基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與監測系統的研制，能夠實現對空氣凈化器的智能控制與監測。

2 智能凈化與監測系統的可行性分析（Feasibility

analysis of intelligent cleaning and monitoring

system）

本系統終端節點主要為自主研發ZIGBEE智能節點終端控制器，主要功能有：短距離無線組網，能夠根據不斷改變的網絡現狀進行動態拓撲，維持整個網絡的有效通信[1]；遠程程序自動更新，控制人員只需要在服務器層修改智能節點中的相關程序，系統就能夠遠程更新所有智能節點中的控制程序；參數可配，智能節點的相關參數可遠程配置更新。這使得遠程控制得以實現。

同時，本系統使用的KW01芯片，芯片內部集成了KL26微控制器和SX1231無線收發器，內置三個可編程選擇PA。其工作頻率范圍十分寬廣，包括免許可的工業、科學和醫療（ISM）頻段所覆蓋的315、433、470、868、915、928和960 MHz。

3 智能凈化與監測系統的體系結構（System

structure of intelligent cleaning and monitoring

system）

基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與監測系統的總體框架圖如圖1所示。

圖1 基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與

監測系統的總體框架圖

Fig.1 The overall framework of a WSCN based intelligent

purification and monitoring system which can deals

with industrial waste gas and lampblack

終端層，在每個凈化器內嵌入智能節點，MKW01Z128（簡稱KW01）作為控制芯片，負責信息狀態采集與Zigbee通信。KW01是Freescale于2014年正式推出的ARM Cortex-M0+內核Kinetis KL26 MCU與SX1231-RF組成，面向智能家居、智能城市等各種物聯網應用。KW01負責終端節點的數據采集與數據通信。

中間層的主要部分是GPRS-ZIGBEE路由器，以32位ARM Cortex-M4 K系列芯片K60[2]為核心，通過UART與KW01無線傳感傳感網絡主控節點通信。其中KW01無線傳感網絡主控節點采用ZIGBEE方式與終端控制器通信，將無線傳感網絡的數據信息傳輸到以K60為核心的數據收發處理模塊，通過2.5G/3G[3]發送到服務器層；也可接收服務器層命令發送給智能節點終端控制器。

服務器層作為數據處理與存儲的中心，實現了安全的訪問控制[4]，并通過ASP技術為不同的用戶提供其所需的實時系統運行情況，和系統輸出大氣的質量，使得用戶可以以瀏覽網頁的方式對智能凈化系統智能化監測與控制。

4 智能凈化與監測系統的軟件設計（Software design

of intelligent cleaning and monitoring system）

4.1 需解決的問題

在本系統的三層結構中，終端層與中間層屬于低端，主要在硬件上實現基本功能，而服務器層的Web軟件是用戶與低端交互的一個接口。為了實現智能凈化與監測，需要建立一個具有足夠交互能力并可實現安全控制訪問的動態網站，使用戶通過瀏覽器能夠獲得實時的信息，并且用戶可以通過瀏覽器對凈化器進行一定的操作。為了實現這一目標，需要解決以下問題：（1）目前廢氣處理凈化設備信息孤立，當廢氣處理凈化設備老化或者故障時，不能及時進行檢修。因此該軟件能夠監測到故障設備并提示用戶。（2）缺乏強有力的監督機制和監督手段。進行大量的報表統計。方便監管部門從數據中方便快捷地查找數據是本系統需要解決的又一問題。（3）系統具有很好的實時性，能夠實時顯示GPRS通信狀態以及各個設備的工作狀態。（4）系統具有節能性。當檢測到將要被處理的廢氣符合國家環保標準，設備將停止工作，節約能耗。

4.2 Web數據庫的設計

Web數據庫指在互聯網中以Web查詢接口方式訪問的數據庫資源。使用Web數據庫使得軟件具有維護系統費用低、軟件版本更新不涉及用戶、系統的管理和維護集中于服務器上、具有很強的擴展性和可維護性等優點。表1為系統的數據表名及其功能。限于篇幅，只選取部分羅列。

表1 系統的數據表名及其功能

Tab.1 The name of the table and its function of the system

數據表名 功能

NodeInfo 該表用于存儲Zigbee節點相關信息

UserInfo 該表用來存儲用戶的登陸信息

DirControl 該表用來存儲所有向主控器發送的命令，包括未發送的和已經發送的，通過HandelFlag字段表示

NodeState_AirCleaner 該表用于存儲從主控器接收到的終端節點的幀數據State

4.3 主要技術

本軟件網頁設計采用的技術如下：（1）Ajax[5]，實現網頁局部更新。（2）session[6]，用于頁面跳轉保存信息。（3）Cookie，用于存儲用戶信息，使用戶再次登錄時無需輸入用戶與密碼。

為了使系統能夠可靠穩定運行，在每次給終端節點發送命令時都要獲取反饋信息。如：當用戶在網頁中對目標凈化器進行開關操作時，發送執行命令后，帶回指令執行情況標志HandelFlag，系統將根據HandelFlag的值判斷指令執行情況，如果指令執行失敗或者發送超時，系統將提示用戶再次發送指令。

另外，采用可靠的加密算法，不同權限的用戶訪問的信息不一樣。只有超級管理員才有權限管理用戶，只有管理員以上級別的用戶才可以發送控制命令。每個用戶的登錄密碼都經過MD5加密，不容易破解。

本系統還使用highstock圖表庫，繪制動態圖。將每個終端節點監測的凈化器信息以曲線方式顯示在圖表中，并可實時動態添加凈化器最新的最新狀態數據，方便用戶觀察與分析數據。

4.4 軟件實現

本軟件系統采用Microsoft Visual Studio 2012+Internet信息服務（IIS）+SQL Server 2008 R2模式進行開發。由于篇幅限制，本文將介紹以下軟件模塊。

（1）登錄模塊。登錄模塊主要負責用戶的登錄管理。用戶輸入用戶名和密碼后，服務器調用數據庫UserInfo進行驗證，若驗證通過，則允許用戶進入系統主頁面，并將滾用戶加入到在線用戶鏈表，記錄用戶登錄的session；若驗證不通過，則返回錯誤提示，拒絕用戶登錄[7]。

（2）凈化器信息模塊。此模塊功能是向用戶顯示所選主控器號下的凈化器數據，以及對凈化器數據進行配置。當用戶選擇查詢所有數據時，服務器調用數據庫的NodeState_AirCleaner表，將對應主控器號下的所有凈化器數據顯示出來，如果用戶選擇查詢最近數據，則服務器在NodeState_AirCleaner表中查詢對應主控器號下的最新一條凈化器數據并顯示給用戶。凈化器數據配置則是針對一臺凈化器設備進行數據配置。

（3）單節點監控模塊。單節點監控模塊功能是將用戶所選終端節點對應的凈化器信息如AD、PWM、溫度等以動態圖的方式顯示，在此頁面上用戶可直接對凈化器設備進行操作。當此模塊頁面加載時，服務器調用數據庫的NodeInfo表，將表中存在的主控器號和節點號添加在下拉列表中，方便用戶選擇，頁面將根據用戶所選節點號繪制動態度。如圖2為單節點動態圖。當用戶在此模塊對目標設備進行開關操作時，服務器向DirControl數據表發送指定格式的命令，通過讀取HandelFlag標志判斷指令是否執行成功，并提示用戶。

5 結論（Conclusion）

本文通過對基于WSCN的工業廢氣、油煙智能凈化與監測系統的可行性以及系統結構的分析闡述了Web軟件設計方

案。該軟件采用了Ajax、Session、Cookie等技術使系統能夠可靠穩定運行。本系統在低端硬件方面能夠完美契合軟件系統的功能，方便用戶監測與控制空氣凈化器設備以實現智能凈化。

圖2 單節點動態圖

Fig.2 Single-node dynamic map

參考文獻（References）

[1] 無線龍.ZigBee無線網絡原理[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[2] 王宜懷，蔣銀珍，吳瑾.嵌入式系統原理與實踐—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業出版社.2012.

[3] 王宜懷，等.嵌入式技術基礎與實踐（第二版）[M].北京：清華大 學出版社，2011.

[4] 丁瑞麒.如何做好服務器安全[J].計算機與網絡，2015，（1）：41.

[5] 譚力，楊宗源，謝瑾奎.Aj缸技術的數據響應優化[J].計算機工 程，2010，（11）：95-98.

[6] Roben H，Jared S.web Anatomy：Interaction Design Frameworks that Work [M]. [S.I.]：Pearson Education，k.，2010.

[7] 張晶.提高網站用戶注冊數據的安全有效性[J].電腦編程技巧 與維護，2012，（4）：97-99.

作者簡介：

賈榮媛（1992-），女，本科生.研究領域：嵌入式系統及應用.

王宜懷（1962-），男，博士，教授.研究領域：嵌入式系統及

應用.

王小寧（1993-），男，本科生.研究領域：嵌入式系統及應用.