基于物聯網云平臺的中波發射臺機房環境監測系統

呂雙輝

（滄州廣播電視臺，河北 滄州 061000）

0 引言

我國的大部分中波發射臺雖然配置了環境監測、電源監測、視頻監控、消防系統及門禁系統，但無法做到多系統的融合監測，遠程查看，集中管理。并且大部分中波發射臺的中波發射機需要每天20多小時的長時間、大功率、不間斷地播出節目，這就要求值班人員長時間不間斷地巡視、管理發射臺的設備，工作強度大。另外，發射臺供電系統和發射機設備運行參數需要值班人員手工抄寫記錄，交接班時上班人員無法查詢設備運行情況，發射臺工作狀態無法遠程查看等。

隨著大數據、物聯網和云技術的日益發展，一種面向物聯網設備的云端一體化監控平臺技術得到迅速發展，開發者可以高效、低成本地實現設備之間、設備與用戶之間、設備與云服務之間可靠、高并發的數據通信[1,2]。該系統可以將發射臺各個監測子系統設備進行統一管理，各個數據采集節點通過ZigBee無線通信方式以及RS-485方式將采集到的數據匯集到邊緣網關。邊緣設備將數據分析計算整理后通過MQTT協議推送給物聯網云平臺服務器，物聯網平臺轉發采集到的信息至用戶Web應用端進行可視化展示與預警。

1 系統總體架構

本系統的總體架構采用物聯網的4層架構模式：應用層、平臺層、網絡層和感知控制層。

中波發射臺機房內各種監測設備以及機房外的氣象監測設備屬于感知控制層。邊緣網關通過4G無線通信模塊接入互聯網，將采集到的數據轉換為MQTT協議的信息與阿里云物聯網平臺交互。物聯網云平臺屬于平臺層，作為物聯網設備代理服務器提供統一的API接口供上層應用調用，提供物聯網設備的身份認真、鏈路加密以及消息轉發服務。應用服務器位于應用層，提供數據接入、機房環境監測、設備故障報警以及數據分析存儲等服務。它通過HTTP/2協議發布和訂閱已授權給應用的設備端的消息，以圖形化方式展示監測數據的當前值以及歷史曲線圖。阿里云物聯網平臺提供HTTP/2設備（Java）SDK進行建聯，用于建立感知控制層設備與應用層服務器的通信。用戶端通過與應用服務器交互查詢監測數據、報警信息、設備狀態以及下發指令等。系統的總體架構圖如圖1所示。

圖1 中波發射臺機房環境監測系統總體架構

2 硬件設計

2.1 傳感器硬件選型

本系統機房溫濕度傳感器采用普瑞森社公司提供的RS-485型卡軌溫濕度變送器（如圖2所示）。傳感器信號穩定，精度高，防水性能較好，傳輸距離遠，測量范圍寬。傳感器工作溫度為-40～+60℃，濕度0%RH～80%RH，可以在大部分機房環境中穩定工作，Modbus-RTU 通信協議方便開發和適配其他相同協議的傳感器，縮短開發周期。

圖2 溫濕度傳感器

發射機電壓電流采集模塊采用金貝萊公司的JBLGK-350 RS-485型三相電量綜合測量智能型隔離電量傳感器（如圖3所示）。該傳感器測量精度高，抗干擾性能較好，可以在復雜的工業環境中穩定工作，采用全隔離技術安全可靠。測量項目包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、累計電量、相序以及溫度等參數，通信協議為Modbus-RTU協議，兼容性好。

圖3 電壓電流傳感器

發射臺室外風速傳感器采用建大仁科公司的RSFS-N01型三杯式風速傳感器（如圖4所示）。傳感器風速量程為0～60 m/s，分辨率為0.1 m/s，風速精度為±（0.2+0.03V）m/s（V表示風速），采用標準Modbus-RTU通信協議，接入方便。

圖4 風速傳感器

此外，本系統還采用了威盟士公司的RS-YL-N01-3型翻斗式雨量傳感器及雨雪傳感器，用于測量發射臺室外環境的降雨量及發射臺有無雨雪天氣的監測。雨量傳感器將降雨量脈沖信號轉換為485（標準Modbus-RTU協議）通信方式輸出，可以和本系統其他Modbus-RTU協議傳感器串聯，方便開發和數據采集。測量準確度≤±3%，可以滿足發射臺雨季降雨量監測的需求。雨雪傳感器主要用來監測發射站是否出現了降雨或者降雪的天氣，傳感器采用交流阻抗測量方式，電極使用壽命長，不會出現氧化問題。雨雪測量結果精準，誤報率幾乎為零。

2.2 數據采集節點硬件設計

本系統數據傳輸采用標準Modbus-RTU協議通信方式和ZigBee通信方式相結合的方案。便于布線的地方采用RS-485有線通信方式，不便于布線的地方采用ZigBee無線通信方式。

本系統采用的Modbus-RTU通信模式，支持RS-485總線通信。RS-485通信方式傳輸距離遠，支持的節點數量多，抗干擾能力強，比較適合于中波發射臺強磁強電的環境中的信息傳輸，其傳輸速率在遠距離傳輸時較低，距離與速率成反比狀態，適用于遠距離傳感器數據的采集。

ZigBee通信協議包含3種節點類型：協調器、路由器和端設備。協調器是整個ZigBee網絡的管理者，負責掃描網絡設備并建立網絡連接；路由器負責ZigBee網絡路由發現和相關數據的轉發；端設備負責傳感器數據的上傳和接收主控板下發的命令信息。當ZigBee網絡組建完成后，端設備可以自動發現網絡并建立連接，與路由器和協調器建立網絡連接并綁定。ZigBee網絡采用網狀結構，如圖5所示。

圖5 ZigBee網絡網狀結構拓撲圖

ZigBee硬件設備采用創思通信設計生產的ZigBee開發板。ZigBee開發板采用TI公司的CC2530射頻芯片，板載多種傳感器接口和按鍵配置，便于進行快速的硬件開發設計。ZigBee無線通信功耗低，設備價格較低，網絡承載的節點多（可容納65 000臺設備），傳輸穩定。ZigBee網絡帶寬窄傳輸速率低，適用于傳感器少量數據的傳輸。Z-stack協議棧的出現簡化了ZigBee的開發難度，提供標準的接口函數，方便開發者使用。

2.3 邊緣網關硬件設計

使用NXP公司的MCIMX6Y2CVM08AB（工業級）芯片作為邊緣網關的主控芯片，核心板板載為256MDDR和256M的Nand Flash，工作溫度在-40 ～+85℃，可以滿足發射機房苛刻的工作環境，搭載Linux嵌入式操作系統。Linux系統是目前物聯網設備中應用最廣泛的操作系統，具有可裁剪性、強實時性，并提供設備統一的驅動接口。圖6為邊緣網關設備硬件原理圖。

圖6 邊緣網關設備硬件原理圖

從圖6可以看出，邊緣網關使用CC2530芯片作為ZigBee無線通信網絡的協調器，負責啟動和管理網絡，匯聚感知層采集節點發送過來的數據，通過串口轉發給微控制器MCIMX6Y2CVM08AB。微控制器通過485接口采用標準Modbus-RTU協議采集傳感器數據。微控制器作為邊緣網關，負責分析計算數據并通過以太網通信模塊將數據推送給物聯網云平臺服務器。

3 軟件設計

系統軟件架構主要包括數據采集節點、物聯網云平臺、用戶端三部分（如圖7所示）。數據采集節點獲取數據后與阿里云物聯網平臺建立網絡連接，使用MQTT通信協議接入物聯網云平臺。云平臺實現設備狀態查詢與管理、數據存儲、圖形化數據顯示、數據報表分析、歷史數據查詢等功能。開發人員依據物聯網云端提供的API接口，基于HTTP/2通信協議實現用戶端與云平臺的數據通信。

圖7 系統軟件設計架構圖

3.1 ZigBee數據采集端軟件設計

（1）邊緣網關驅動ZigBee協調器流程圖如圖8所示。

圖8 ZigBee協調器流程圖

（2）ZigBee協調器初始化一個網絡，ZigBee端設備與ZigBee路由器發現網絡并加入網絡，網絡組建完成后邊緣網關發送指令啟動端設備，端設備啟動后開始數據采集工作并將數據通過ZigBee網絡轉發給協調器。ZigBee端設備采集數據流程圖如圖9所示。

圖9 端設備采集流程圖

3.2 基于Modbus-RTU協議的RS-485通信設計

（1）微控制器（主控板）驅動Modbus-RTU協議傳感器流程圖如圖10所示。

圖10 Modbus-RTU設備驅動流程圖

（2）主控板首先初始化配置文件，設置串口通信參數，連接485接口成功后向傳感器發送Modbus指令采集數據，傳感器響應后發送相關的采集數據。主控板將控制命令以請求報文的形式發送給傳感器，傳感器收到命令后以應答報文的形式返回采集到的數據。根據傳感器廠家的功能碼讀取相關寄存器信息，每次通信都會通過CRC校驗驗證數據的正確性。

3.3 邊緣網關軟件設計

邊緣網關（主控板）首先初始化各個模塊并與云服務器建立連接，隨后系統開啟定時器功能，每間隔5秒執行一次定時器子程序，子程序控制ZigBee端設備以及Modbus-RTU協議傳感器采集數據并將其存入緩存區。每間隔2分鐘執行網絡檢測，網絡正常則將2分鐘內采集的數據進行平均值計算，并將計算結果上傳至云端服務器，然后清除緩存區數據。如果網絡異常則首先建立服務器連接再傳輸數據。如果采集的數據超出設定的閾值范圍，則立即傳輸數據并發出報警信息。邊緣網關數據采集主程序流程如圖11所示。

圖11 邊緣網關數據采集主程序流程圖

3.4 應用服務軟件設計

阿里云物聯網平臺的Link SDK設備端軟件開發工具包實現設備快速接入物聯網平臺，支持C、Java、Android、IOS等多種開發語言和平臺，便于開發人員開發和移植[3-5]。

應用服務主要實現功能包括用戶可以使用瀏覽器查看當前監測設備采集的數據、近期歷史數據曲線以及報警信息等。也可以從Web端設置相關數據的閾值以及解除警報。對發射機相關運行參數自動定時記錄并生成報表功能，提供歷史數據查詢、報警信息查詢以及設備信息查詢等。從安全角度出發，需要設計用戶權限管理功能，保證相關人員的登錄權限和操作權限。圖12為阿里云物聯網平臺對傳感器數據的可視化展示。

圖12 阿里云物聯網平臺

4 結束語

本文結合當前中波發射臺機房環境監測的現狀，提出了一種基于MQTT通信協議的物聯網云平臺的監測系統。給出了系統總體架構以及軟件和硬件的設計方案，利用智能化機房系統監控可以有效地節約人力成本，提高工作效率。從整體上看，基于物聯網云技術的監測系統有廣闊的應用前景，值得我們繼續去探索和創新?！?/p>