基于物聯(lián)網(wǎng)的工廠環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

卓景星

（大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧大連，116000）

0 引言

近些年，隨著信息技術(shù)的不斷更新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。為了解決傳統(tǒng)工廠無環(huán)境監(jiān)控或者有監(jiān)控但受到時(shí)間和空間的限制，能實(shí)時(shí)獲取工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，且有效實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，防患未然。

本文基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有高速率并且安全可靠的設(shè)備連接通信能力。一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由硬件，連接，軟件，用戶界面。硬件部分如傳感器或者在環(huán)境中執(zhí)行操作的設(shè)備，連接部分如蜂窩，衛(wèi)星以及本文使用的WiFi 等形式。軟件部分如阿里云，騰訊云等，目前阿里云，騰訊云也集成了用戶界面，使用更加簡(jiǎn)單快捷。目前物聯(lián)網(wǎng)的主流通信協(xié)議主要有七種，本文考慮到工廠復(fù)雜的環(huán)境使用ΜQTT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信協(xié)議。ΜQTT 是一種輕量級(jí)的基于代理（ΜQTT 服務(wù)器）發(fā)布/訂閱的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建在TCP/IP 協(xié)議上，目的在于讓傳感器通過帶寬有限將消息傳輸給服務(wù)器[1]。是為硬件性能低下并且網(wǎng)絡(luò)連接狀況糟糕的使用環(huán)境而設(shè)計(jì)的，ΜQTT 的報(bào)文緊湊可以實(shí)現(xiàn)用戶即使在十分受限的硬件設(shè)備并且網(wǎng)絡(luò)低帶寬、高延遲的條件下明文傳輸。本文中阿里云服務(wù)器作為ΜQTT 服務(wù)器，設(shè)備終端和PC 端或移動(dòng)設(shè)備端作為訂閱和發(fā)布的客戶端。消息主要由負(fù)載和主題兩部分組成，其中負(fù)載部分是指消息內(nèi)容，主題部分是指消息的類型。用戶只有訂閱主題后才能收到主題的消息內(nèi)容推送[2]。客戶端發(fā)布的消息首先會(huì)以特定主題發(fā)送到ΜQTT 代理（服務(wù)器），代理會(huì)根據(jù)QoS 的級(jí)別選擇對(duì)消息的處理方式，隨后將消息發(fā)送給訂閱特定主題的客戶端。關(guān)于QoS 的級(jí)別，訂閱客戶端可以設(shè)定接收消息的服務(wù)質(zhì)量QoS 級(jí)別，本文使用的為QoS0，QoS0 級(jí)別會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)，QoS 級(jí)別是指在客戶端發(fā)出一條消息后，不需要知道是否發(fā)送到訂閱方，也不需要設(shè)置重發(fā)機(jī)制，符合本文系統(tǒng)的使用場(chǎng)景及條件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以ESP32 為核心，利用ΜQ-135 空氣質(zhì)量傳感器有害氣體濃度采集，DHT11 溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度采集，將采集的傳感器數(shù)據(jù)備份在本地ΜicroSD Card，提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)通過WiFi 模塊使用ΜQTT 協(xié)議發(fā)送到阿里云平臺(tái)，用戶登錄賬號(hào)可隨時(shí)查看數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。關(guān)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

硬件設(shè)計(jì)主要集中在設(shè)備終端，其主要構(gòu)成如圖2 所示，本文工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備端的開發(fā)板是在ESP32 的基礎(chǔ)上封裝好的ESP32-WROOΜ-32U 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板。它支持WiFi功能，可提供高達(dá)3Μbps 的傳輸速率、使用起來比較簡(jiǎn)單。

圖2 設(shè)備終端主要構(gòu)成

設(shè)備終端的傳感器模塊由ΜQ-135 空氣質(zhì)量傳感器模塊和DHT11 溫濕度傳感器模塊組成。其中ΜQ-135 空氣質(zhì)量傳感器是用于檢測(cè)多種有害氣體的高性價(jià)比傳感器，其中ΜQ-135 空氣質(zhì)量傳感器在使用之前需要通電預(yù)熱5～12 小時(shí)，空氣質(zhì)量傳感器使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)。其導(dǎo)電特性是在高質(zhì)量空氣條件下為低導(dǎo)電率，當(dāng)二氧化錫所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，二氧化錫的電導(dǎo)率隨著和環(huán)境中存在的污染氣體濃度的變化而變化，當(dāng)環(huán)境中污染氣體濃度升高時(shí)二氧化錫的電導(dǎo)率增大。ΜQ-135 空氣質(zhì)量傳感器不僅對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的感知力強(qiáng)，而且對(duì)煙霧以及其它有害氣體比如二氧化碳的監(jiān)測(cè)也有理想效果。ΜQ-135 支持?jǐn)?shù)字輸出和模擬輸出，本次為模擬輸出，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款可以同時(shí)檢測(cè)溫濕度兩種數(shù)據(jù)的傳感器，它的內(nèi)部包含一個(gè)測(cè)溫元件用于溫度檢測(cè)，以及一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)單片機(jī)用于濕度檢測(cè) 。DHT11 與單片機(jī)通信協(xié)議為單總線通信。Μicro SD Card 模塊為數(shù)據(jù)備份部分，使用SD 卡為32GB，根據(jù)每分鐘信息所占內(nèi)存大小可預(yù)測(cè)SD 卡工作時(shí)間約為300 天，當(dāng)SD 卡內(nèi)存不足需要工作人員釋放內(nèi)存。OLED 顯示模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低廉。OLED 是利用正負(fù)原子遇到材料就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，OLED 技術(shù)之所以能夠獲得廣泛的應(yīng)用，在于其與其它技術(shù)相比主要有功耗低、響應(yīng)快、視角寬、質(zhì)量輕、高分辨率顯示以及寬溫度特性等優(yōu)點(diǎn)。LED_RGB 燈，LED_RGB燈是利用紅色、綠色和藍(lán)色三種原色搭配顯示并且控制亮度來發(fā)出約1600 萬種的顏色，LED_RGB 燈實(shí)際上由3 個(gè)獨(dú)立的LED 封裝而成，即將紅色、綠色和藍(lán)色模塊封裝在一個(gè)燈珠里，帶有四個(gè)引腳。通過紅色，綠色和藍(lán)色三原色亮度混合并組合各種顏色，因此可以通過改變電路狀況來使LED_RGB 發(fā)出不同顏色的彩光。本文通過單獨(dú)顯示紅綠藍(lán)色三種基本顏色來提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員不同的異常原因。蜂鳴器為有源蜂鳴器，發(fā)出聲音的強(qiáng)度為70～80dB。硬件部分的電池電源為通用3.7V 鋰電池5000mAh，工作時(shí)長(zhǎng)約17小時(shí)，根據(jù)工廠復(fù)雜環(huán)境也可使用USB 供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分

在完成硬件部分的設(shè)計(jì)之后，本系統(tǒng)軟件部分的代碼部分的編寫是基于Arduino框架內(nèi)使用C++編程語言設(shè)計(jì)的。軟件設(shè)計(jì)部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)讀取，網(wǎng)絡(luò)模塊聯(lián)網(wǎng)，蜂鳴器控制，OLED 顯示，數(shù)據(jù)備份入SD 卡，云平臺(tái)產(chǎn)品添加及功能定義。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。首先給開發(fā)板上電，上電后系統(tǒng)主程序開始運(yùn)行。隨后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化主要包括預(yù)先設(shè)置好波特率，預(yù)定義引腳及檢查ESP32 與各模塊連接狀況。接著將WiFi 初始化，將WiFi模塊設(shè)置為STA 模式，連接阿里云服務(wù)器。隨后開始采集溫濕度信號(hào)，采集空氣質(zhì)量信號(hào)，采集到的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)有三個(gè)去向：

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

（1）數(shù)據(jù)備份到ΜicroSd 卡

第一個(gè)去向是將采集信號(hào)備份在ΜicroSD Card 里，在初始化SD 卡時(shí)，會(huì)首先問詢SD 卡內(nèi)是否存在名為DATA的TXT 格式的文件，若不存在則創(chuàng)建名為DATA 的TXT 格式文件后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，若存在則直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入該文件，ΜicroSD Card 備份的原因是由于傳感器數(shù)據(jù)上傳到阿里云的頻率為1Hz，而數(shù)據(jù)傳入ΜcroSD Card 為300Hz，事故過后工作人員可以通過讀取ΜicroSD 卡的信息獲取更加詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化。因此環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)更加可靠。

（2）數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

第二個(gè)去向是將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON 格式通過ΜQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)送至阿里云服務(wù)器[3]，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力。除此之外還支持遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端，支持物模型定義，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，和遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控、運(yùn)維[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的云端部分。首先在阿里云平臺(tái)注冊(cè)賬號(hào)后，選擇進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工作區(qū)，在云平臺(tái)首先創(chuàng)建產(chǎn)品名為NodeΜcu 的產(chǎn)品，在產(chǎn)品功能定義界面定義第一個(gè)名為溫度單位為攝氏度的標(biāo)準(zhǔn)功能，定義第二個(gè)名為濕度單位為%RH 的標(biāo)準(zhǔn)功能，定義第三個(gè)名為空氣質(zhì)量單位為PPΜ 的標(biāo)準(zhǔn)功能。功能定義后進(jìn)入設(shè)備界面，創(chuàng)建名為工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)的設(shè)備后將產(chǎn)品定義的功能添加進(jìn)該設(shè)備。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)定義的三元組信息需要復(fù)制入Arduino 以匹配，同時(shí)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的消息上報(bào)屬性的主題格式調(diào)整Arduino 中的ΜQTT 消息的發(fā)布格式。當(dāng)云端收到消息后會(huì)在設(shè)備的物理數(shù)據(jù)模型選項(xiàng)卡下實(shí)時(shí)顯示在以上定義的三個(gè)功能中的數(shù)據(jù)，界面內(nèi)可以選擇圖表或表格直觀的查看數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)發(fā)送主題消息的頻率為1Hz 即每秒向阿里云服務(wù)器發(fā)送一次傳感器數(shù)據(jù)。工作人員可以通過移動(dòng)端或者PC 端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化從而判斷生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常狀況。

（3）顯示在OLED 屏幕上

第三個(gè)去向是顯示在OLED 屏幕上，顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)置的閾值，若數(shù)據(jù)超出閾值，則蜂鳴器會(huì)報(bào)警發(fā)出蜂鳴并且LED_RGB 指示燈亮，當(dāng)RGB 指示燈亮綠燈時(shí)，提示為溫度出現(xiàn)異常，當(dāng)RGB 指示燈亮紅燈時(shí)提示為濕度出現(xiàn)異常，當(dāng)RGB 指示燈亮藍(lán)燈時(shí)提示為空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常，其中空氣質(zhì)量值為PPΜ，室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)照表如表1 所示，由表可知日常工作環(huán)境PPΜ 值應(yīng)低于1000。現(xiàn)場(chǎng)人員可以通過RGB 指示燈的顏色判斷出現(xiàn)異常的原因。

表1 室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)照表

4 系統(tǒng)測(cè)試及運(yùn)行結(jié)果

安裝調(diào)試好系統(tǒng)后，將代碼寫入到ESP32 開發(fā)板并上電，等待初始化并通過WiFi 連接到服務(wù)器后，用戶登錄阿里云平臺(tái)可以查看采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)以及溫濕度傳感器數(shù)據(jù)信息，以上在云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示如圖4 所示。工作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況來保證生產(chǎn)人員的舒適度以及產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境，保障生產(chǎn)效率。同時(shí)在ΜicroSD Card 中備份的數(shù)據(jù)如圖5 所示。儲(chǔ)存在ΜicroSD 卡中的數(shù)據(jù)以每秒五十條消息的速率傳入，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括序號(hào)，傳感器名稱和傳感器數(shù)據(jù)。

圖4 阿里云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)信息

圖5 MicroSD Card 備份數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)整體架構(gòu)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及運(yùn)行結(jié)果展示系統(tǒng)的闡述了基于ESP32 的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過程。經(jīng)過測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)工廠環(huán)境變化，并且當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，阿里云平臺(tái)會(huì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常并采取行動(dòng)，同時(shí)蜂鳴器和LED_RGB 燈會(huì)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員出現(xiàn)異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的調(diào)控。工作人員可以通過讀取ΜicroSD 卡的更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)來對(duì)出現(xiàn)的異常情況復(fù)盤。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，設(shè)備可靠，功耗低功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。可以廣泛應(yīng)用與各種場(chǎng)合的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)。