基于云平臺的選煤廠環境監測系統

馮甜欣， 張曉光， 劉景勇， 王艷芬

(1.中國礦業大學 信息與控制工程學院， 江蘇 徐州 221116；2.徐州中礦數字化礦山技術研究所， 江蘇 徐州 221116; 3.河南能源化工集團新疆投資控股有限公司， 新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

因礦產開發造成的環境污染與生態破壞嚴重制約社會和經濟的可持續發展[1]。近年來，隨著生態文明建設的不斷推進，礦山開采逐漸向綠色化、智能化發展[2]。生態環境部也提出要推動煤礦綠色開采及礦山生態環境保護[3]。對礦山環境進行監測，最大限度地降低礦產開發過程對生態環境的擾動與破壞，是實現綠色礦山建設的重要途徑[4]。煤炭分選作為礦山環境的主要污染源之一，生產加工過程會產生大量粉塵、廢水、廢氣、噪聲及固體廢棄物，嚴重威脅礦區及周邊的生態壞境[5-6]。高效、實時、準確地獲取選煤廠各類環境數據，對于實現礦山綠色可持續發展具有重要的現實意義。

選煤廠由于其生產特殊性，廠區內外均存在大量污染源，廠區環境復雜、監測面積大、監測點數量多且分散。采用人工定點定時采樣存在實時性差、數據準確率低等問題，而有線監測系統存在部署不便、成本高、線路易損壞等不足。物聯網技術的發展為實現選煤廠環境監測的無人化和自動化提供了技術基礎。目前無線監測場景多采用LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗廣域網)，應用最廣泛的為NB-IoT與LoRa技術[7-9]。NB-IoT依賴運營商基站才能實現網絡接入，而選煤廠大多位置偏遠，使用NB-IoT存在網絡覆蓋不足的問題[10-11]。使用LoRa同樣需要部署基站，在室外環境表現良好，但對廠區內部環境監測存在覆蓋盲區[12]。ZigBee作為一種低速率、低功耗、低成本的近距離無線通信技術，具有組網靈活的優勢，在自動監測場景應用廣泛[13-14]。

本文針對選煤廠環境監測需求與特點，采用物聯網技術設計了基于云平臺的選煤廠環境監測系統。監測節點間構建無線自組織網絡，對環境數據進行不間斷采集，通過ZigBee無線多跳方式進行數據傳輸，保證網絡部署的靈活性。利用云平臺虛擬化技術將設備映射到云端，對監測數據進行云端存儲、分析與展示，提高系統智能化水平。系統組網靈活、易于擴展，可提高選煤廠環境監測的實時性，同時降低了成本，為綠色礦山建設提供了基礎保障。

1 系統架構

基于云平臺的選煤廠環境監測系統采用物聯網3層架構設計，如圖1所示。感知層包括路由節點、終端節點及各類環境傳感器。節點間通過自組織方式形成無線傳感網絡，對選煤廠環境信息進行實時感知、采集與處理。網絡層包括網關節點和路由器，提供感知層采集數據上傳到應用層所必需的網絡連接與數據處理。應用層為云平臺服務器，利用其計算、存儲及網絡資源，對上傳數據進行分析、處理與展示。

圖1 基于云平臺的選煤廠環境監測系統架構Fig.1 Architecture of environmental monitoring system of coal preparation plant based on cloud platform

基于上述架構的選煤廠環境監測系統工作流程：終端節點部署于選煤廠各環境監測點，根據感知參數連接相應的環境傳感器，對環境信息(如溫度、濕度、粉塵、水質等)進行實時采集。路由節點與終端節點之間通過無線多跳方式通信，對監測數據進行匯總處理后轉發至網關節點。網關節點與各路由節點通信實現各個監測點的網絡連通，將數據封裝處理后通過以太網上傳至云平臺服務器，通過云端數據管理軟件實現監測數據的云端存儲、分析與展示。

系統構建無線多跳方式的通信網絡，可有效解決現有選煤廠環境監測系統部署不便、網絡覆蓋不充分、數據獲取不及時等問題，通過節點多跳傳輸與匯總，實現各分散監測點環境的統一監測，降低部署與維護成本。基于云平臺的系統架構具有設備動態接入、數據實時查看、云端統一管理等優勢，可使選煤廠管理人員實時了解廠區環境狀態，及時準確地發現潛在風險，為管理決策提供支持。

2 系統硬件設計

基于云平臺的選煤廠環境監測系統硬件包括網關節點、終端節點和路由節點。綜合考慮性能、可靠性、擴展性及成本因素，采用模塊化思想設計了基于嵌入式系統的節點硬件電路。

2.1 網關節點

網關節點位于系統網絡層，同時連接ZigBee無線網絡與外部以太網。作為一種特殊的網關設備，網關節點不具有環境監測功能，但對計算、通信及存儲資源要求較高。其整體硬件結構如圖2所示。

圖2 網關節點硬件結構Fig.2 Hardware structure of gateway node

為了滿足其算力需求，網關節點的MCU選用STM32F429。該芯片具有良好的計算性能和中斷響應系統，集成多種總線接口和控制器資源，可以減少外圍元件的使用，便于硬件設計及外設擴展。

ZigBee模塊選用CC2530。該模塊具有低功耗、高可靠性特點，支持多種工作模式，易于開發與部署。為了提升節點間傳輸距離，模塊添加了功放芯片，并外接天線。

以太網模塊硬件包括物理層與數據鏈路層。由于STM32F429集成了以太網MAC層控制器，所以外接以太網物理層芯片LAN8720進行網絡數據包的收發，實現以太網通信功能。LAN8720連接采用RMII (Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨立接口)，減少接線數量。

為了提高系統運行速度，同時滿足后期軟件功能升級需要，網關節點外接SDRAM和FLASH,以擴展系統運行和存儲空間。

作為系統數據交換核心，網關節點需要實時在線，以保證系統數據不間斷處理與傳輸。電池供電無法滿足應用需求，需要使用有源電路。采用直流電源經過直流穩壓電路降壓至3.3，5 V為MCU及板載外設供電。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發傳輸器)控制器用于網關節點軟件調試。

2.2 終端節點

終端節點位于感知層，主要功能是實現環境信息感知與數據采集，其硬件結構如圖3所示。

MCU選用STM32F103，其具有低功耗、低成本特點，可提供多種類型的通信接口，滿足不同類型傳感器連接需求。ZigBee模塊選用CC2530，與網關節點、路由節點進行無線通信。采用直流穩壓電路對直流電源降壓后供電，采用UART控制器調試軟件。預留I/O接口以提高終端節點的擴展性。

圖3 終端節點硬件結構Fig.3 Hardware structure of terminal node

根據場景需求，綜合功耗、精度、采樣頻率及接口類型確定傳感器選型，分別選用DHT11溫濕度傳感器、ZPH01粉塵傳感器、PH值傳感器來監測選煤廠的溫度、濕度、粉塵濃度、水質等參數。

2.3 路由節點

路由節點位于感知層，主要對終端節點采集的監測數據進行匯總處理，并將數據轉發至網關節點。

路由節點硬件結構如圖4所示。ZigBee模塊選用CC2530，采用直流電源降壓后供電，配備UART控制器進行軟件調試，預留I/O接口便于擴展。

圖4 路由節點硬件結構Fig.4 Hardware structure of routing node

基于上述結構設計的網關節點、終端節點、路由節點如圖5所示。

(a) 網關節點

(c) 路由節點

3 系統軟件設計

基于系統需求與結構設計系統軟件，感知層包括環境數據采集與無線通信軟件，網絡層為網絡數據傳輸軟件，應用層為云端數據管理軟件。

采用Z-Stack協議棧開發節點無線通信軟件，基于OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系統抽象層)機制實現任務調度與事件處理。Z-Stack為符合ZigBee2007/Pro規范的開源協議棧。

網絡數據傳輸包括網絡層連接與應用層數據傳輸。網絡層連接采用LwIP(Light Weight TCP/IP Stack，輕量級TCP/IP協議棧)。應用層數據傳輸采用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸)協議，其為基于發布/訂閱模式的輕量級消息傳輸協議。

云平臺服務器選用阿里云物聯網平臺，對網關節點上傳的數據進行統一管理。基于IoT Studio開發組件化的Web可視化云端數據管理軟件。

3.1 環境數據采集軟件

環境數據采集軟件部署于終端節點，通過讀取各傳感器電路信息獲取環境數據，流程如圖6所示。首先，進行節點軟硬件初始化，包括I/O、ZigBee模塊等初始化。其次，通過定時中斷讀取傳感器數據，以獲取環境參數信息。再次，通過UART端口將數據傳輸至ZigBee模塊，通過網絡地址將數據上報給路由節點。最后，當監測數據異常時，通過事件中斷實現告警。

圖6 環境數據采集流程Fig.6 Environmental data collection flow

3.2 無線通信軟件

無線通信軟件部署于網關節點、路由節點及終端節點，3種節點分別執行協調器、路由器及終端程序。網關節點創建并維護ZigBee網絡，路由節點與終端節點加入該網絡并受網關節點管理。

基于Z-Stack協議棧的網絡創建流程：首先，網關節點判斷自身是否已經加入ZigBee網絡，通過發送信標請求監測是否存在其他協調器。如果沒有檢測到信標則創建ZigBee網絡，同時作為該網絡的協調器不斷發送信標并進行廣播。然后，掃描信道，選擇能量水平允許、相對安靜的信道，為網絡分配網絡標志符PAN_ID，也可人為預設PAN_ID。最后，設置網絡地址，完成網絡初始化，等待其他節點的入網請求，至此網絡創建成功。

節點入網流程：首先，節點主動掃描信標，查找周圍網絡的協調器，同時獲取協調器的信息。然后，節點向協調器發出連接請求，獲得網絡地址并發送狀態響應。最后，節點成功加入網絡后回復確認并保存協調器信息。終端節點可直接加入網絡，也可通過路由節點加入網絡。

組網完畢后，通過OSAL為節點創建任務并分配任務ID，通過輪詢方式判斷任務是否需要進行事件處理，通過函數指針遠程調用事件處理函數。

網關節點、路由節點、終端節點的ZigBee模塊通過UART端口讀取MCU的數據并發送，同時MCU通過UART端口接收網絡數據進行處理。節點間基于網絡地址進行通信，網絡數據收發以單個字節為單位，包含1個起始位和1個停止位。

3.3 網絡數據傳輸軟件

網關節點的功能是實現數據上云，前提是設備云化。首先，在云平臺創建產品并添加設備，獲取設備鑒權信息。其次，將鑒權信息與網關節點綁定，將物理設備映射到云平臺，實現設備的虛擬化。再次，為設備創建物模型數據，將物理參數與云平臺屬性進行綁定。最后，將網關節點與云平臺建立連接，實現數據上云。

網關節點基于LwIP協議與阿里云物聯網平臺建立連接。將網關節點與云平臺服務器的IP地址和端口號綁定后，基于netconn接口與云平臺服務器建立TCP/IP連接，如圖7(a)所示。采用緩沖區處理TCP數據包，提高消息傳輸效率。

網關節點通過MQTT協議將監測數據上傳至阿里云物聯網平臺。網關節點獲取云平臺設備信息與服務器信息，計算用戶名與登錄密碼，通過HMAC-SHA1算法進行加密處理，服務器端驗證成功后建立連接。

根據MQTT協議特點，網關節點與云平臺服務器需通過代理實現消息傳遞，因此需要創建消息發布代理的主題。當網關節點有數據上傳時，先將數據封裝為JSON(JavaScript Object Notation, JS 對象簡譜 )格式，再通過POST請求將數據推送至該主題，訂閱該主題的服務器將會收到上傳的數據，如圖7(b)所示。同時網關節點通過GET請求接收云平臺服務器發送的數據，如圖7(c)所示。

數據上傳任務通過消息隊列接收其他任務傳遞的數據。網關節點對終端節點與路由節點上傳的數據進行預處理，通過消息傳遞任務將數據添加至消息隊列，等待數據上傳任務讀取。當數據出現異常時，輸出錯誤信息。消息傳遞流程如圖7(d)所示。

(a) 網絡連接任務

(c) 數據接收任務

網關節點作為路由節點與云平臺數據交互的樞紐，需要處理多個復雜任務。為了提高系統并發性和實時性，為網關節點移植了μCOS-III嵌入式實時操作系統，基于多任務開發與管理，保證系統各功能高效運行，同時方便系統功能升級。μCOS-III操作系統根據任務優先級進行調度，實現網絡數據的高效處理及程序正確執行。

4 系統測試

搭建測試平臺對系統進行功能測試。各節點通電后運行，連接阿里云物聯網平臺，對選煤廠環境進行監測。

網關節點將監測數據上傳至云平臺服務器進行存儲、分析與可視化展示。監測界面如圖8所示，可展示溫度、濕度、PM2.5濃度、水質酸堿度等參數的實時數據和歷史數據，并對環境參數異常信息進行統計，便于專項管理，滿足實際監測需求。

圖8 選煤廠環境監測界面Fig.8 Environmental monitoring platform of coal preparation plant

云平臺設備管理界面如圖9所示。通過該界面可在云平臺實時查看設備狀態、當前參數及告警信息，便于節點管理。

圖9 云平臺設備管理界面Fig.9 Device management interface on cloud platform

5 結語

從選煤廠環境監測的特殊性及實際需求出發，設計了基于云平臺的選煤廠環境監測系統。采用模塊化思想構建了基于嵌入式系統的無線監測節點，包括終端節點、路由節點、網關節點，實現了選煤廠現場環境數據的采集、轉發、處理與上傳，成本較低，組網靈活，易于擴展。系統提供基于云平臺的數據管理軟件，可對監測數據進行存儲與可視化展示，實現了選煤廠環境信息的實時監測與告警、歷史數據查詢等功能。測試結果表明，該系統運行穩定，監測結果準確，為選煤廠綠色生產與可持續發展提供了技術支撐。