化工廠環境監測系統設計與應用

潘星宏 項明曦

摘要：針對化工廠環境監測特點，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境監測系統。該監測系統對于實現類似化工廠等特殊環境的環境監測具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：環境監測系統;LoRa無線通信;RS485/232有線通信;B/S架構

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對工作環境也提出了越來越高的要求。為了保證工作環境的舒適度，有很多學者對其進行了相關研究。文獻[1]基于物聯網技術，通過多傳感器對室內的溫濕度、聲環境、光照強度等參數進行監測并預警，設計了基于云平臺的環境監測系統。文獻[2]運用ESP8266 Wi-Fi模塊，使用自動組網的方法，實現環境參數在無線傳感器網絡中的多跳傳輸，達到監測圖書館環境參數的目的。文獻[3]為了避免同信道干擾，將433 MHz頻段傳感器網絡和Wi-Fi技術相結合，設計了一款新型的環境監測系統。文獻[4]提出了采用預警算法來提高環境監測參數的準確性。但目前針對化工廠的特殊應用環境，市場上暫無完備的環境監測系統，且環境監測的各個儀表數據獨立、分散，監測數據收集效率低，監測數據少，缺乏代表性，不便于綜合評估工廠環境狀況。

針對化工廠生產環境對工人的身體健康影響較大的現狀，本文介紹的化工廠環境監測系統通過物聯網技術，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、聲環境等數據存儲在MySQL數據庫，并進行數據融合，運用B/S架構展示在Web頁面上，以此達到提高數據收集的高效性和有效性的目的。

1 系統架構

該系統基于物聯網基礎框架，設計了感知層、網絡層、應用層3層結構。感知層中的節點設備通過各種類型的傳感器進行聲環境、溫度以及氨氣濃度值的實時監測;網絡層通過總線形式收集各傳感器數據，并將端系統數據傳輸至中心節點集中，然后上傳至云服務器;應用層運用B/S架構實現數據的遠程查看與監控[5]。

化工廠環境監測系統架構如圖1所示，系統主要由監測節點、控制節點、匯聚節點和云服務器等組成。為了方便化工廠房內部數據的采集，將傳統的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于現在常用的Sigfox、LTE-M、Zigbee等無線通信技術[6]，可達到遠程監控、提高容錯率的效果。監測節點位于監測區域內，將采集到的數據通過LoRa網絡發送至匯聚節點。

匯聚節點使用4G/Wi-Fi接入Internet網絡，將數據傳送至云服務器，同時控制終端可以查詢和設置服務器上的各項參數，以此達到監測的目的。

2 系統硬件介紹

本系統選用有線和無線結合方式，監測儀器與數據采集器之間使用RS485/232總線方式連接，數據采集器與數據集中器之間使用遠距離無線傳輸（LoRa）方式連接。數據采集流程如圖2所示，高精度固定式氨氣檢測儀、WBGT熱指數監測儀和噪聲統計分析儀檢測當前車間環境數據，通過RS485/232總線將數據傳輸至數據采集器后，用LoRa無線連接到數據集中器，最終數據集中器通過4G網絡連接到服務器將數據上傳至云端。

3 軟件設計

3.1 ? ?軟件架構

本系統軟件設計分為五大層次，包括數據應用層、數據訪問層、數據存儲層、源數據存儲層、數據通信層。

（1）數據通信層：分布在化工廠的多個傳感器對數據進行實時采樣、分析，然后將監測數據封裝后等待發送。數據通信層主要將無線傳感器網絡（WSN）監測站采集到的待發送的質量監測封包數據加載到數據通信服務器上，然后按照指定的歸并規則將監測數據進行解包與壓縮，最后將合并結果上傳到分布式文件系統（HDFS）中進行存儲。

（2）源數據存儲層：源數據存儲層主要提供原始監測數據的存儲與管理功能，通過將數據存儲在HDFS中，不僅保證了數據存儲的高可靠性、高可擴展性，還充分利用了HDFS在海量數據上的存儲、備份、管理優勢。數據的管理主要通過HDFS提供的各類文件操作接口實現具體的文件管理功能。

（3）數據存儲層：數據存儲層是基于關系型數據庫MySQL和分布式數據庫HBase設計實現。利用關系型數據庫MySQL提供的強大SQL查詢語言以及數據多維分析能力，實時統計分析與多維展示最近一段時間內的監測數據。

（4）數據訪問層：數據訪問層主要包括基于HBase的數據訪問和基于MySQL的數據訪問，其中通過HBase的數據訪問方式可以訪問所有歷史時期的監測數據記錄，而通過MySQL的數據訪問方式只能訪問到當前MySQL存儲的近期監測數據記錄。

（5）數據應用層：面向終端用戶提供監測數據的查詢分析展示功能。數據查詢功能根據監測站點、監測起始時間進行監測數據的查詢;對采集到的監測數據進行標準化處理、綜合計算，得出相應的評價等級。數據對比如圖3所示，趨勢預測根據積累的監測大數據繪制出各個監測指標的變化趨勢圖，從中分析環境監測指標的變化趨勢，研究變化規律。選擇一個或多個監測點、指定歷史記錄數據的起始時間、一個或多個監測因素進行趨勢預測;超標報警功能是對監測數據的特殊情況進行報警提示，其中需要報警的情形包括：監測數據數值超過標準值、監測數據出現較大偏差及邏輯關系出現異常、預測趨勢指明異常。如果發現某指標超標則觸發報警，并在地圖上顯示超標位置。同時，可以設置監測時間、報警級別、自動監測站名稱，查詢報警信息?；S布局圖如圖4所示，地圖上紅色閃爍標識為報警監測站點，點擊監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、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協議傳輸，中央服務器的Jfinal Java Web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、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據傳輸依托于各種硬件接口，使用json協議，涉及文件傳輸使用文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP），中央服務器利用FTP服務發起文件傳輸請求，采集網絡節點的FTP服務在21端口號上提供服務。該系統使用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（Secure Sockets Layer，SSL）和傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）為用戶提供安全的數據訪問和網絡通信。

4 結語

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

[參考文獻]

[1] 劉雄飛，聶偉，陳浩，等.基于云計算平臺的室內環境監測系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2019，38（3）：92-95.

[2] 王棟，袁偉，吳迪.基于WiFi物聯網的圖書館環境監測系統[J].計算機科學，2018，45（Z2）：532-534.

[3] 陳鐿，王紹源，陳清華.基于無線傳感網絡的實時環境監測系統的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2018（9）：79-83.

[4] 孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內環境監測系統[J].傳感器與微系統，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的研究[J].現代制造工程，2018（2）：24-28.

[6] 張濤，張晶，陳凱，等.基于LoRa節點協作的低延遲數據傳輸方法[J].西北大學學報（自然科學版），2019，49（1）：88-92.

收稿日期：2020-04-28

作者簡介：潘星宏（1998—），女，四川成都人，研究方向：通信與傳感技術。