基于智慧化工廠建設的感知層技術研究

王沖,張春迎

（天津渤海職業技術學院信息工程學院，天津 300402）

物聯網通常分為三層，感知層、網絡層和應用層。其中感知層相當于人的皮膚和五官，各種各樣的傳感技術像人的五官一樣可以感受周圍環境的變化，因此傳感器又被人們稱為電五官。感知層進行信息的采集，可以應用的技術包括條碼和掃描器、智能卡、RFID 電子標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器，其中條碼和RFID 標簽顯示身份，傳感器捕捉信息狀態，攝像頭記錄圖像，GPS 進行跟蹤定位，最終實現識別物體、采集信息的目標，實現對事物的識別與辨別、定位及狀態和環境變化的動態信息。本文提出將物聯網感知層技術應用于智慧化工廠建設中，提高安全生產和安全管理并加強智慧工廠的建設[1]。

1 智能傳感器檢測系統

智能傳感器（Smart Sensor）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，以傳統的傳感器與微處理器結合起來的方式進行制造生產，微處理器可以對采集的信號進行分析處理[2～7]，然后把處理結果發送給主機或者反饋給管理人員。智能傳感器可以顯著減小傳感器與主機之間的通信量，并簡化不同傳感器集合的系統。已經實用化的智能傳感器有：智能壓力傳感器、智能溫濕度傳感器、智能流量傳感器、智能加速度傳感器、智能檢測傳感器、智能位置傳感器等。智能傳感器系統架構圖如圖1 所示。

圖1 智能傳感器系統架構圖

通過在環境中部署傳感器節點可以實時采集數據，如可燃氣體濃度，溫濕度、光照度等信息，終端也可部署攝像頭等采集圖片視頻信息，通過有線和無線技術連接到網關上，將感知層的數據實時上傳到應用層，感知層也可部署各類執行器，一旦發生安全事件，可以一鍵操作，快速執行，如報警器、一鍵斷電、一鍵報警等設施，可從源頭監測數據。由于底層部署傳感器數量多，傳感器采集數據量大，因此智能傳感器網中采用工業級的高性能交換機，保障數據傳輸的流暢性、實時性、不卡頓，骨干環網采用千兆級別網絡，保障網絡暢通、數據暢通。網絡可采用的有線技術有485 總線，232 總線，可采用的無線技術有ZigBee，BasicRF，NB-IOT,Lora 等多種有線無線通訊技術[8～11]。

2 智慧化工廠建設

化工是國民經濟生活的重要組成部分，化工業占比接近國民生產總值的1/5，隨著生產量的增加，化工廠的安全事故頻發，因此加強化工廠的安全生產刻不容緩。通過將物聯網技術應用于化工廠，可以提高化工廠的智能化水平，方便并提高化工廠的安全生產。

智慧化工廠通過感知技術可以獲取生產設施的各種信息，如狀態信息、溫度信息、氣體濃度信息。化工廠的智能建設主要由監測部分、自動報警部分和聯動控制部分組成[12]。

監測部分負責監測容易發生生產安全事件的重點部位，如存放易燃易爆的存儲罐、危化品庫房、電器設備車間等。甚至危險級別不高的部位也需監測，因為化工材料的特殊性可以會產生連鎖反應，危險級別不高的材料如果存儲不安全也可帶來巨大的安全隱患。在易燃易爆的存儲罐中部署壓力傳感器，監測存儲罐中的壓力，將數據實時反饋給管理者，如果壓力過大，超過設定的預警值，會產生警報并通過聯合控制打開泄氣閥門，降低存儲罐中的壓力。在易燃易爆的危險品庫房安裝攝像頭和溫濕度傳感器、煙霧傳感器，可以檢測庫房的危化品狀態，由于危化品對溫度濕度信息比較敏感，如果環境值超過預警值，會觸發報警開關，將危險信息發送給管理平臺或管理者的手機，通知管理者迅速處理，還可以通過人工或者聯動控制模塊自動處理，將危險因素盡快消除。在管理端有對應的管理者平臺軟件，不僅可以看到傳感器傳上來的實時數據，還對應云平臺和數據庫，云平臺不僅可以通過網頁實時顯示傳感器的數據，還可以設定網頁自動刷新時間，數據庫可以存儲數據，一旦發生安全事件可以做到數據追蹤溯源，方便查改。

3 實驗仿真

模擬仿真實驗采用Lora 長距離低功耗通信技術進行溫濕度和光照度的采集，三個Lora 模塊搭建起LoraWAN 網絡，圖2 中左一lora 模塊為溫濕度采集模塊，左二模塊為lora 光照度采集模塊，右一模塊為lora 網關，網關模塊通過232 線連接到云平臺網關，搭建云平臺lora 平臺，并且通過新大陸實驗平臺給網關和各模塊供電，實驗效果如圖2 所示。

圖2 lora 模塊實驗仿真

圖3 云平臺數據

云平臺數據上傳圖如圖3 所示：網頁數據設定每5S 刷新一次。

4 結論

無論是企業的安全生產還是學校的學習生活對于人們來說都是十分重要的，安全始終都是底線，不可觸碰，本文提出將物聯網感知層技術應用到智慧化工廠系統建設中，給出了智慧化工廠建設模型，通過在重點領域部署各種傳感器，利用多種網絡和數據庫等技術加強安全生產區域的管理和監督，提高了安全管理人員對化工廠安全工作的效率和質量，而仿真實驗也驗證了方案的有效性。