基于NB-IoT的化工廠爆炸性環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)

楊 康，劉文強(qiáng)，萬(wàn) 駿

（江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州 213000）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工廠爆炸性事故頻發(fā)已成為制約國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)突出因素[1]。我國(guó)化工廠多且各地均有分布，且由于化工廠環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備不完善[2]、人員水平不高、監(jiān)管不到位等，化工廠爆炸性事故時(shí)有發(fā)生[3]。因此，提前對(duì)工廠爆炸性事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)警很有必要。

隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展[4]，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和化工廠爆炸性環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合[5]已成為當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。

基于此，本文開發(fā)了一種便捷可靠的化工廠爆炸性環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，迅速、準(zhǔn)確地對(duì)爆炸環(huán)境進(jìn)行預(yù)警。一旦監(jiān)控終端報(bào)警，系統(tǒng)將立即提醒監(jiān)管人員迅速處理險(xiǎn)情。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括監(jiān)控分站、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理服務(wù)器、OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)及Android移動(dòng)終端。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其中，監(jiān)控分站包括核心控制器、熱成像裝置、壓力傳感器、氣體濃度傳感器、電源模塊、串口、I/O模塊、NB-IoT傳輸模塊及外圍電路。工作流程如下：通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集工廠環(huán)境的狀態(tài)參數(shù)信息，NB-IoT將采集的信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器，移動(dòng)終端和上位機(jī)服務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并處理，如果發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)則報(bào)警。此外，服務(wù)器還具備管理員登錄、工廠歷史環(huán)境參數(shù)信息管理與查詢等功能。監(jiān)管人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看工廠監(jiān)測(cè)區(qū)域狀況。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

在監(jiān)控分站設(shè)計(jì)中，其主控MCU選用STM32RCT6，通信模組選用M5310-A開發(fā)板[6]。M5310-A開發(fā)板擁有豐富的板載資源及超低功耗的硬件。使用STM32RCT6控制各類傳感器采集相關(guān)參數(shù)[7]，并控制M5310-A通信模組以無(wú)線通信方式與OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通信。監(jiān)控分站的硬件程序設(shè)計(jì)在Keil μVision5軟件[8]環(huán)境下完成。硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖

2.1.1 監(jiān)控分站數(shù)據(jù)采集、發(fā)送流程

（1）由微處理器STM32RCT6通過(guò)控制單片機(jī)串口進(jìn)行相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后保存采集的溫度、壓力、濃度等數(shù)據(jù)；

（2）STM32RCT6對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送給OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，隨后間隔1 s循環(huán)發(fā)送。

監(jiān)控分站數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控分站數(shù)據(jù)采集、發(fā)送流程

2.1.2 紅外熱成像監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

紅外熱成像處理流程如圖4所示。MLF-WD11紅外熱成像傳感器通過(guò)串口通信將熱成像數(shù)據(jù)發(fā)送到終端（終端基于MATLAB語(yǔ)言設(shè)計(jì)而成）。其中，串口讀取數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)每個(gè)熱成像數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)頭（E1）截取數(shù)據(jù)，若未成功截取則重新采集數(shù)據(jù)包。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包由159 177個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)數(shù)組成，包括熱成像圖像每個(gè)像素點(diǎn)的R、P、G數(shù)據(jù)（機(jī)芯像素為230×230，每個(gè)像素有3個(gè)字節(jié)數(shù)，則總字節(jié)數(shù)為230×（230×3+2）），以及特征點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)（17個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)）。熱成像圖還原時(shí)需先將R，P，G數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，再把該部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)遍歷疊加（R、P、G各有230×230個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)組合為cat（3，R，G，B））得到一張完整圖片。

圖4 紅外熱成像處理流程

熱成像特征點(diǎn)溫度包括最高溫度、最低溫度和平均溫度，每個(gè)溫度值都由2個(gè)字節(jié)組成，高8位在左（T1），低八位在右（T2），將其組合（Strcat（T1，T2））即得到該溫度數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制表示，最后將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)除法運(yùn)算便得到真實(shí)溫度。例如：接收到的十六進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)為01，7C，則十進(jìn)制數(shù)為380，其真實(shí)溫度為38 ℃。每個(gè)溫度值都有對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，灰度轉(zhuǎn)換時(shí)可以將對(duì)應(yīng)灰度值存儲(chǔ)于數(shù)組中以便計(jì)算。

灰度轉(zhuǎn)換公式為Y=0.3R+0.6G+0.1B，相關(guān)數(shù)據(jù)已在讀取時(shí)保存（R，G，B數(shù)組）。目前，在定量分析方面因?yàn)榧夹g(shù)保護(hù)等原因，傳統(tǒng)紅外測(cè)溫只能聚焦于最高溫、最低溫、平均溫，但這并不完全滿足工廠監(jiān)控體系對(duì)所有工廠設(shè)施安全隱患排查的要求[9]。通過(guò)MATLAB結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)熱圖像特征點(diǎn)的灰度和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合插值運(yùn)算，可以得到兩者之間的線性函數(shù)關(guān)系[10]，如圖5所示。

圖5 灰度和溫度的函數(shù)關(guān)系

在定性考量下，可以只考慮對(duì)溫度值和灰度值進(jìn)行線性插值獲取全像素點(diǎn)溫度。本文主要是定性討論在不同溫度區(qū)間內(nèi)灰度值（G）和溫度（T）的線性關(guān)系：G=xT+y，即T=（G-y）/x。線性插值要求在既有數(shù)據(jù)（溫度）范圍內(nèi)對(duì)像素點(diǎn)溫度進(jìn)行擬合推算，特征點(diǎn)溫度恰好包括監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度范圍。特征點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)越多，則線性推演出的溫度越接近真實(shí)值。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇的溫度上限未超過(guò)80 ℃。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，可知在更高的溫度區(qū)間內(nèi)其線性系數(shù)將發(fā)生改變。在線性計(jì)算公式T（X）=interp1（GArray,TArray,G（x）, 'linear'）中，GArray 為特征點(diǎn)灰度值的數(shù)組，必須進(jìn)行線性排列，其對(duì)應(yīng)溫度值存放在溫度數(shù)組TArray中；linear表示處理方式為分段式線性插值。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入該式，即可對(duì)任一像素點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，且結(jié)果誤差較小。全圖溫度計(jì)算只需遍歷運(yùn)行該過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本文將整體像素縮放至32×32，在提高運(yùn)行效率的同時(shí)，其所測(cè)溫度數(shù)據(jù)與分析結(jié)果基本一致。

2.1.3 紅外熱圖像存儲(chǔ)服務(wù)器

紅外熱成像監(jiān)控平臺(tái)經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理流程之后，將生成的熱圖像通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到紅外熱圖像存儲(chǔ)服務(wù)器。移動(dòng)監(jiān)控終端以及上位機(jī)服務(wù)器可以隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分站的熱圖是否有異常，若發(fā)現(xiàn)異常則及時(shí)預(yù)警并通知監(jiān)管人員。

2.1.4 OneNET云監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可用作數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和儲(chǔ)存服務(wù)器。在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上創(chuàng)建有相應(yīng)傳輸接口，當(dāng)移動(dòng)監(jiān)控終端和上位機(jī)服務(wù)器需要獲取數(shù)據(jù)時(shí)，只需訪問(wèn)接口即可。OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收數(shù)據(jù)流程

2.2 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

2.2.1 上位機(jī)監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能需要，監(jiān)控軟件主要用于獲取、存儲(chǔ)和管理化工廠環(huán)境的氣壓、溫度、危險(xiǎn)氣體濃度以及煙霧濃度變化等參數(shù)信息。利用Visual Studio 2017開發(fā)工具設(shè)計(jì)出基于C#語(yǔ)言的上位機(jī)顯示界面。設(shè)計(jì)的功能模塊主要包括信息管理模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊。

2.2.2 移動(dòng)APP監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的顯示界面是人機(jī)交互的重要途徑，作為用戶與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝宦窂剑己玫娜藱C(jī)交互界面將直接影響到系統(tǒng)的美化效果和用戶的操作體驗(yàn)。根據(jù)移動(dòng)終端的整體功能，設(shè)備的UI界面分為四屏：第一屏作為啟動(dòng)屏幕，實(shí)現(xiàn)登錄功能；第二屏是第一屏的子屏幕，用于在指定區(qū)域使用相應(yīng)控件顯示數(shù)據(jù)；第三屏和第四屏是第二屏的并列屏，主要用于實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)熱圖像查詢等功能。

查詢?cè)O(shè)備若需要向服務(wù)器請(qǐng)求相關(guān)的數(shù)據(jù)，可通過(guò)Socket向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求之后進(jìn)行識(shí)別并響應(yīng)，在客戶端與服務(wù)器之間建立Socket通信。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 移動(dòng)監(jiān)控終端

在移動(dòng)監(jiān)控終端上，當(dāng)用戶輸入相應(yīng)賬號(hào)、密碼登錄之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入功能選擇界面。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面

圖7中依次顯示了氣體濃度、管道氣壓、最高溫度、最低溫度、平均溫度、煙霧濃度信息。從圖7可以看出，當(dāng)前最低溫度和平均溫度存在異常，并已將問(wèn)題數(shù)據(jù)標(biāo)紅。APP具有實(shí)時(shí)后臺(tái)報(bào)警功能，針對(duì)非正常情況能實(shí)時(shí)預(yù)警，方便監(jiān)管人員及時(shí)處理。

歷史數(shù)據(jù)篩選界面如圖8所示。從圖中可以看出選擇的是顯示儲(chǔ)存在云平臺(tái)上的所有數(shù)據(jù)，并且以列表形式顯示，且所顯示數(shù)據(jù)均正常。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可以方便監(jiān)管人員預(yù)覽數(shù)據(jù)。此外，監(jiān)管人員點(diǎn)擊界面中的“按時(shí)間篩選”按鈕后，可以彈出如圖9所示的時(shí)間選擇界面。

圖8 歷史數(shù)據(jù)篩選界面

圖9 時(shí)間選擇界面

可以從圖片服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取從監(jiān)控終端上傳的熱圖像，如圖10所示。當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)在圖中標(biāo)出相應(yīng)異常區(qū)域，方便監(jiān)管人員精確定位并采取措施。

統(tǒng)計(jì)分析界面可以對(duì)某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)圖表，方便監(jiān)管人員掌握數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。圖表數(shù)據(jù)對(duì)比界面如圖11所示。

圖10 紅外熱圖像顯示界面

圖11 圖表數(shù)據(jù)對(duì)比界面

3.2 紅外熱成像處理平臺(tái)

打開軟件即可看到圖12所示的軟件界面。點(diǎn)擊“開始”將實(shí)時(shí)顯示熱圖像，并自動(dòng)篩選出最高溫、最低溫，計(jì)算平均溫度，之后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將熱圖像上傳至位于公網(wǎng)的圖片服務(wù)器。圖13所示為紅外熱成像及計(jì)算功能界面，圖14所示為點(diǎn)測(cè)溫功能界面，圖15所示為阿里云服務(wù)器實(shí)例列表，圖16所示為服務(wù)器所存熱圖像的文件夾。

圖12 熱成像處理平臺(tái)終端界面

圖13 紅外熱成像及計(jì)算功能界面

圖14 點(diǎn)測(cè)溫功能界面

圖15 阿里云服務(wù)器實(shí)例列表

圖16 阿里云圖片文件夾

3.3 上位機(jī)服務(wù)器

上位機(jī)端實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，并繪制圖表，設(shè)置報(bào)警閾值，界面如圖17所示。上位機(jī)端查詢歷史數(shù)據(jù)、繪制圖表的界面如圖18所示。

圖17 上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，繪制圖表并設(shè)置報(bào)警閾值界面

圖18 上位機(jī)端查詢歷史數(shù)據(jù)、繪制圖表界面

上位機(jī)端獲取實(shí)時(shí)熱圖像的界面如圖19所示。

圖19 實(shí)時(shí)熱圖像界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的化工廠爆炸性環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控終端各類參數(shù)的采集與發(fā)送、異常數(shù)據(jù)報(bào)警并智能處理、手機(jī)終端隨時(shí)隨地查看、歷史數(shù)據(jù)查詢與分析等功能。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)為現(xiàn)代化工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的完善和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊。