基于物聯(lián)網(wǎng)的化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

繆 航，吳宏亮，孫兆偉

（淮陰工學院 自動化學院，江蘇淮安 223003）

基于物聯(lián)網(wǎng)的化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

繆 航，吳宏亮，孫兆偉

（淮陰工學院 自動化學院，江蘇淮安 223003）

基于物聯(lián)網(wǎng)的化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、3G傳輸模塊、上位機模塊三部分組成。此化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的終端是以ARM微處理器為核心來控制底層采集模塊，傳感器將各類模擬信號采集完，通過A/D轉換器，對模擬信號進行數(shù)字轉換，處理編碼并打包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被打包成適合于傳輸?shù)腎P包后，經(jīng)3G模塊對數(shù)據(jù)進行傳輸，移動通信服務的基站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡，然后將數(shù)據(jù)連接到監(jiān)測中心的局域網(wǎng)中，由上位機的數(shù)據(jù)接收程序接收并處理，最后數(shù)據(jù)被存入到服務器的數(shù)據(jù)表中。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；3G模塊

Abstract：This subject is based on the environmental monitoring system of chemical industry.The system consists of three parts：data acquisition module，3G transmission module and host computer module.The terminal of the chemical plant environmental monitoring system is based on the ARM microprocessor as the core to control the bottom of the acquisition module，the sensor will be all kinds of analog signal acquisition through the A/D converter，the analog signal digital conversion，processing and coding data，The data is packaged into the IP packet for transmission，the 3G module to the data transmission，the mobile communication service base station data transmission to the INTERNET network，and then connect the data to the monitoring center of the local area network，by the host computer data reception The program is received and processed，and the last data is stored in the server's data table.

Key words：environmental monitoring system；Internet of things；3G module

目前，化工廠環(huán)境監(jiān)測技術正在不斷被探索研究和投入使用。而傳統(tǒng)的化工廠環(huán)境監(jiān)測工作大多采用的是人工現(xiàn)場采樣以及實驗室儀器分析的方式進行的。實驗室的裝備以及分析手段雖然很完善，但依然會出現(xiàn)很多問題，例如：監(jiān)測頻次低、采樣偏差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、無法實時顯示污染狀況等等缺點。隨著電子技術的發(fā)展，自動化程度的提高，有些化工廠采用有線控制方式，通過在化工廠排污口安裝環(huán)境監(jiān)測裝置，自動監(jiān)測污染物濃度。有線監(jiān)測的好處在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院靡约靶盘栂鄬Ψ€(wěn)定，但因監(jiān)測點較多需要大量的線路，這樣不僅提高了成本還使得系統(tǒng)難以維護，在一些條件相對差的地方搭建線路顯得更加困難。

1 化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結構

圖1 化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結構原理圖

1.無線傳感網(wǎng)絡；2.ARM微處理器；3.3G傳輸模塊；4.基站 5.上位機模塊

2 化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的具體技術方案

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機模塊四部分組成，所述數(shù)據(jù)采集模塊由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成。其中終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器依次通過 ZigBee 協(xié)議進行無線通信且終端節(jié)點包含傳感器模塊、獨立電源模塊和Zigbee模塊；其中傳感器模塊包括COD傳感器、SS傳感器、氨氮傳感器、NOx傳感器、SO2傳感器和HCL傳感器，獨立電源模塊為一套小型太陽能供電系統(tǒng)，ZigBee模塊的型號為CC2530，數(shù)據(jù)控制模塊核心板包括ARM微處理器其型號為S2C2410A，以ARM微處理器為核心來控制底層采集模塊，傳感器將各類模擬信號采集完，通過A/D轉換器，對模擬信號進行數(shù)字轉換，處理編碼并打包數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊3G進行傳輸，數(shù)據(jù)通過移動通信服務的基站傳輸?shù)缴衔粰C模塊，上位機模塊的結構為B/S模式，主要包括用戶主機和移動電子設備。

針對上述技術問題所提出的具體技術方案：所述上位機模塊的結構為B/S模式，主要包括用戶主機和移動電子設備。用戶主機或移動電子設備顯示當前化工廠環(huán)境參量和歷史數(shù)據(jù)的查詢，當接收到的污染物含量數(shù)據(jù)超過閾值上限時，在監(jiān)控界面以不同顏色顯示報警曲線。

上述技術方案具有如下有益效果：利用傳感器-數(shù)據(jù)采集模塊-數(shù)據(jù)控制模塊-數(shù)據(jù)傳輸模塊-上位機這一無線化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以較低成本實現(xiàn)對化工廠環(huán)境的實時監(jiān)測。并且用戶在監(jiān)測區(qū)域靈活的布置傳感器，采用ZigBee 協(xié)議進行無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換，真正實現(xiàn)了物與物的相連。

如圖2所示，本化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構主要包括了數(shù)據(jù)采集模塊傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)無線通信模塊，傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊主要負責數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲瑪?shù)據(jù)無線通信模塊包括WIFI無線通信模塊和3G無線通信模塊，主要負責數(shù)據(jù)的傳輸，主控制器ARM微處理器為核心的電路設計以及3G傳輸模塊的USB接口電路設計。傳感器終端的硬件設計主要包括獨立電源整體的設計、傳感器模塊以及整個電路設計、主控制器電路設計以及3GDTU的RS232串口接口電路設計。考慮到終端的使用地區(qū)環(huán)境比較惡劣的地方，所以采用獨立電源供電，這樣不僅可以提高終端使用的廣泛性和便攜性，還可以節(jié)省掉供電線路的鋪設成本，節(jié)約了社會資源減少不必要的人力浪費。在數(shù)據(jù)終端添加RS232串口電路作為3G-DTU的接口使用，目前3G網(wǎng)絡幾乎覆蓋了全國大多數(shù)地區(qū)，各個公司研制的3G-DTU信號越來越強，只需使用一個通用的RS232接口即可實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸，不僅插拔方便，便于組裝而且功能也很完善。

圖2 化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路結構框圖

圖3 化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集終端太陽能電源模塊

如圖3所示，化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集終端的電源模塊采用小型太陽能供電系統(tǒng)供電。小型太陽能供電系統(tǒng)的核心組成部分主要分為三大塊分別是太陽能電池板、小型蓄電池、太陽能控制器。而太陽能供電系統(tǒng)中的核心部件則是太陽能電池板，另外太陽能電池板也是太陽能供電系統(tǒng)中最具價值的部分。太陽能電池板本身是一種半導體器件，主要是為了將太陽輻射能轉換成系統(tǒng)中所需要的電能，其中電能一方面可以為蓄電池充電，另一方面則是推動直流負載工作為系統(tǒng)的整體運行提供保障。

太陽能電池正常情況下可以直接為系統(tǒng)提供電能，但是如果夜晚成者陰雨天系統(tǒng)需要運行時，供電系統(tǒng)就得由蓄電池來供電。蓄電池分為多種類型，綜合考慮，本系統(tǒng)決定使用鉛酸電池作為蓄電池供電，太陽能控制器的作用主要是為了控制蓄電池的充電電流和電壓，只有在電路中的電壓及電流保持在正常范圍時，才能夠更好地保障蓄電池的穩(wěn)定工作，正常的運行，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)過充或者過放的現(xiàn)象。

3 結束語

本系統(tǒng)在分析國內(nèi)外化工廠環(huán)境監(jiān)測技術的基礎上，將物聯(lián)網(wǎng)技術、ARM嵌入式技術、WIFI系統(tǒng)無線傳輸通信技術等進行了融合，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的化工廠環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。通過STM32微控制器控制一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氨氮、化學需氧量（COD）和懸浮物（SS）傳感器模塊監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并且運用WIFI模塊無線組網(wǎng)，傳感器節(jié)點測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過3G無線通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

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Environmental Monitoring System of Chemical Plant Based on Internet of Things

Miu Hang，Wu Hong-liang，Sun Zhao-wei

TP274

A

1003–6490（2017）09–0223–02

2017–07–03

繆航（1992—），男，江蘇省漣水人，碩士在讀，主要研究方向為化工過程及其自動化。