基于ARM嵌入式技術和4G無線網絡的火化設備無線監控系統設計與應用

黃風光 周 銳 光煥竹

（1.民政部一零一研究所，北京 100070；2.徐州市殯葬管理服務中心，徐州 221299；3.廣州市民政發展研究中心，廣州 510940）

隨著國家信息產業的推進以及互聯網技術的飛速發展，信息產業與物聯網技術正在迅速地融入各個行業，其在眾多領域中應用所帶來的技術效益、經濟效益、社會效益也越來越顯著[1]。隨著時代的進步與科技的發展，4G 無線網絡在我們的生活中廣泛應用，并且隨著5G 時代的到來，物聯網的應用也越來越廣泛[2]。

火化設備控制系統作為火葬場火化機的一個重要組成，其主要作用有實時監控、數據記錄和分析、遠程監控和控制、報警和預警、數據共享和協同工作等，如實時顯示現場燃燒情況、調節燃燒參數及控制安裝于火化設備上的執行器。物聯網的實質是互聯網的延伸，即終端在原有用戶、計算機、智能設備、服務器集群的基礎上又加入了智能物品[3]。目前火化設備裝置的調節大多基于PLC 系統的本地按鈕控制，人機交互實時性不強，不易技術升級。基于物聯網技術實現對火化設備的遠程監控和管理，尤其是基于ARM 嵌入式系統的火化設備無線監控系統的應用將大大提高人機交互效率和智能化[4]。

1 系統總體設計

利用ARM 嵌入式技術開發的火化設備遠程無線監控系統采用上位機—下位機遠程監控工作模式和無線通信技術構建模式。

在上位機監控系統中以連入網絡的計算機或手機為控制主機，并設計監控界面以供可視化的遠程監控。在下位機現場監控終端系統中，通過在火化設備上排布各種類型的傳感器，如溫度、壓力、流量計傳感器等，將各傳感器采集的數據傳送至現場監控終端系統，通過4G 網絡把現場監控終端系統中集成的無線傳輸模塊數據上傳至控制主機，控制主機再通過上位機監控系統軟件對數據進行處理，處理后的數據通過網絡再次傳遞給下位機現場監控終端，最后由監控終端向火化設備上的執行器（如油閥、蝶閥、變頻器等）發送控制指令。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

下位機的監控終端采用嵌入式雙STM32 芯片系統控制板，下位機現場監控終端系統與上位機監控系統均采用4G網絡進行通信。

2 下位機現場監控終端設計及現場設備點位布設

2.1 下位機現場監控終端設計

現場監控終端硬件主要由電源模塊、數據采集CPU 模塊、數據傳輸控制CPU 模塊、RS485 模塊、TF 卡模塊、4G 模塊、4-20mA 電流采樣模塊等模塊組成。系統電路板如圖2所示。

圖2 現場監控終端系統電路板

2.1.1 數據采集CPU模塊

采用STM32F103RBT6作為數據采集CPU模塊的主控CPU，其主要功能有：（1）通過CPU 內置的A/D 模塊采集傳感器的模擬信號，再將模擬信號轉化為數字信號，通過UART接口將信號傳輸給數據傳輸控制CPU 模塊；（2）接收數據傳輸控制CPU 模塊發送過來的控制信號數據，然后將4-20mA/RS485 信號發送至現場執行器，實現遠程控制。

2.1.2 數據傳輸控制CPU模塊

采用STM32F103ZET6作為數據傳輸控制CPU 模塊的主控CPU，該模塊的主要功能有：（1）接收數據采集CPU 模塊發送過來的傳感器數據，然后將傳感器數據通過4G 模塊發送到服務器，同時將數據存儲在TF卡；（2）接收遠端服務器通過4G模塊發送過來的控制信號數據，然后將數據發送至數據采集CPU模塊，并將數據存儲在TF卡。

2.1.3 4G模塊

本文中的4G 模塊主要功能有：（1）負責將數據傳輸控制CPU 模塊發送過來的數據，通過4G 網絡發送到遠端服務器；（2）接收服務器端發送過來的遠程控制指令，并將控制指令發送給數據傳輸控制CPU模塊的通信端，經過數據傳輸控制CPU 模塊的處理實現現場執行設備的遠程控制。

2.2 傳感器和執行器的布設與選型

為實現對火化設備成套裝置的燃燒工況和污染物排放等參數的監測，也便于實時調節火化設備燃燒過程中油耗、風量及風速等參數，本文針對火化設備的特點加裝不同類型傳感器，實現在火化過程對各參數的實時監控。執行器是在監測過程根據火化參數調整后實時作出反應的設備。本文主要是在火化設備的主燃室、再燃室和煙囪中布設變頻鼓風機與引風機，依據《火葬場大氣污染物排放標準》（GB13801-2015）確定常規大氣污染物的傳感器類型。具體布設如圖3所示。

圖3 傳感器和執行器點位布設

確定布設方案后，針對火化設備的特點，本文按照適宜的測量方法確定了傳感器和執行器的選型方案，分別測量爐溫爐壓、煙氣流速、大氣污染物濃度和氧氣含量等重點參數，同時要求采用的變頻風機、蝶閥、油閥支持4-20mA/RS485信號。

3 上位機監控系統軟件設計

本文應用PHP 及MySQL 技術開發了一種基于B/S 的系統構架的上位機軟件[5]，該軟件可以通過WEB或INTERNET 瀏覽器對安裝于火化設備上的執行器和傳感器進行遠程監控，并對云服務器上的數據進行動態分析。本文所開發的上位機軟件界面直觀、簡潔，可操作性強。

上位機軟件架構及訪問邏輯如圖4 所示。操作人員登錄軟件時，先要進行身份確認，普通用戶可以在登錄后進行在線設備的遠程監控、數據分析、信息庫信息查看等操作。遠程監控可以對在線設備的參數信息進行實時觀測，對在線設備進行遠程模糊或自定義控制。數據分析時，用戶可以通過選擇設備查看相應設備的過往參數數據，并進行數據分析。在信息庫部分，用戶可以進行設備人員信息查看及確認的操作。管理員用戶不僅可以完成普通用戶的登錄權限，還可以進行設備操作日常信息查看、設備數據庫信息查看管理等操作。

圖4 上位機軟件架構及訪問邏輯

4 火化設備無線監控系統應用

本文設計開發的火化設備無線監控系統已經過試驗驗證，并具有良好的監控性能。其中，上位機監控系統主要界面如圖5 所示。操作人員根據身份選擇管理員或普通用戶登錄方式后，輸入用戶名及對應的密碼信息，點擊登錄按鈕，進行登錄確認。登錄主界面后用戶可以選擇數據分析、遠程監控、信息庫等操作選項，如圖5.1、5.2 所示。在遠程監控界面中操作人員可以選擇要監測的設備及想要監測的參數，從而對設備進行監控參數選擇。此外，操作人員還可以在遠程控制部分選擇模糊控制或者自定義控制，從而對遠程設備進行控制調節，如圖5.3 所示。當操作人員選擇數據分析界面，則可對各參數進行實時監測和分析，如圖5.4所示。

圖5 上位機監控系統軟件的主要界面

5 結論

基于ARM 嵌入式技術低功耗、高性能和靈活性的特點，本文就火葬場火化設備開發了上位機-下位機無線現場監控系統。下位機現場監控終端以各種執行器和傳感器作為指令執行和數據采集的單位，采用嵌入式雙STM32 芯片作為系統控制板。上位機監控系統采用PHP 及MySQL 技術，構建了一種B/S 的系統構架進行監控軟件的設計與實現。同時，根據火化設備的自身特點，對爐內傳感器和執行器進行了布設搭建，以更加全面地監測火化過程的燃燒情況和控制相關焚燒參數。本系統在實際火化設備上應用切實可行，對于推進火葬場火化設備智能化的實際意義巨大，對于智能火化設備的推行具有廣闊的發展前景。