基于ThingsBoard平臺的廠房環境監測升級改造

摘"要：本文基于AIoT在線工程仿真實訓平臺ThingsBoard和物聯網網關，完成廠房內環境實時監測、廠房環境自動化控制。以ThingsBoard平臺作為架構核心進行項目實施，完成硬件設備的安裝與配置，軟件部署，智慧環境項目儀表板的創建、環境曲線組件的添加和智慧環境項目策略的設置，實現了對廠房環境一站式智慧管理的升級改造，本文引入以ThingsBoard平臺作為項目的IoT平臺，能夠實現廠房環境的一站式管理。

關鍵詞：環境監測；ThingsBoard平臺；物聯網網關；AIoT

Abstract：This"article""based"on""the"AIoT"online"engineering"simulation"training"platform"ThingsBoard"and"the"IoT"gateway，which"both"can"completes"the"realtime"monitoring"of"the"workshop"environment"and"the"automatic"control"of"the"workshop"environment.Taking"the"ThingsBoard"platform"as"the"core"of"the"framework"for"project"implementation，it"completes"the"installation"and"configuration"of"hardware"devices，software"deployment，the"creation"of"smart"environment"project"dashboard，the"addition"of"environmental"curve"components，and"the"setting"of"smart"environment"project"strategies，achieving"the"upgrading"and"transformation"of"onestop"smart"management"of"the"workshop"environment.The"article"introduces"the"ThingsBoard"platformnbsp;as"the"IoT"platform"for"the"project，which"can"realize"the"onestop"management"of"the"workshop"environment.

Keywords：environmental"monitoring；ThingsBoard"platform；IoT"Gateway；AIoT

隨著中國經濟的快速發展，我國的環保執法部門一直處于高壓的狀態，要求一些工廠在日常從事生產活動時，必須重視環保問題。而現在的工業企業在生產過程中，廠房內部的空氣環境質量監測已經成為不可忽視的一部分，普通工業廠房在生產過程中普遍存在粉塵、污染物濃度高以及噪聲大等特點，為了提高工廠中對于生產環境的管理與減少污染排放，建立廠房智能化環境監測系統必不可缺。本文借助AIoT的開源平臺ThingsBoard作為物聯網技術的核心，實現對廠房智能化在環境監測和智能控制方面的進一步改造，構建對廠房環境的一站式智慧管理。

1"改造需求

廠房環境監測系統主要由環境監測傳感器、數據采集模塊、執行器、通信模塊及監控云平臺組成，系統根據廠房的設計要求以及廠房工作環境的要求，通過實時監測廠房內環境溫濕度值、光照強度、CO2濃度、PM2.5濃度、液位值，并根據預置的控制條件，控制風扇的啟動與停止，調節廠房的環境溫度，控制三色燈的狀態，提示廠房的CO2是否超標。同時，通過通信模塊統一上傳云平臺服務器，進行實時監測、控制和報警。本文基于開源的ThingsBoard平臺對廠房環境監測進行智能化改造，搭建一個物聯網智能化環境監測系統，具體改造需求描述如下：（1）廠房環境實時監測，能夠在監控屏幕上實時顯示廠房內溫濕度值、光照強度、CO2濃度、PM2.5濃度、液位值的實時數據、動態曲線變化狀態。（2）溫度自動化控制，空氣溫度正常時，風扇不工作；溫度高于設置的閾值時，能夠自動開啟風扇。（3）濕度自動化控制，空氣濕度正常時，霧化器不工作；低于設置的閾值時，能夠自動開啟霧化器。（4）CO2濃度超標報警，CO2濃度正常時，三色燈綠燈亮，紅燈滅；CO2濃度高于設置的閾值時，三色燈紅燈亮，綠燈滅。（5）PM2.5濃度超標報警，PM2.5濃度正常時，警示燈不亮；PM2.5濃度高于設置的閾值時，能夠自動開啟警示燈。（6）液位自動化控制，液位正常時，抽水泵不工作；液位低于設置的閾值時，能夠自動開啟抽水泵。（7）光照強度不足提示，光照強度正常時，三色燈黃燈不亮；光照強度低于設置的閾值時，自動開啟三色燈黃燈。

2"系統設計

2.1"解決方案

該系統以AIoT平臺作為核心，由感知層、接入層、平臺層和應用層四層技術棧組成，接入層的真實設備網關和仿真設備網關分別采集感知層傳感器數據和執行器狀態信息；再由MQTT協議完成數據轉發并上傳至ThingsBoard平臺，完成數據的處理并進行數據可視化展示。根據系統功能策略實現廠房環境自動化控制，廠房環境監測改造實現方案如圖1所示。

2.2"系統配置

2.2.1"傳感器/執行器選型

廠房環境監測系統傳感器與執行器包含真實設備與虛擬仿真設備。真實設備傳感器選用有支持Modbus"RTU協議的溫濕度傳感器、光照度變送器、二氧化碳變送器，可直接通過RS485總線接入真實設備網關，執行器選型有風扇、三色燈、ADAM4150數據采集模塊，通過RS485總線接入真實設備網關。虛擬仿真傳感器選用液位傳感器、PM2.5傳感器、ADAM4017+數據采集模塊，通過RS485總線接入仿真設備網關，執行器選型有警示燈、水泵、霧化器ADAM4150數據采集模塊，通過RS485總線接入仿真設備網關。

2.2.2"網關

選用ThingsBoard"IoT"Gateway虛擬仿真網關和支持Ubuntu系統物聯網真實設備網關。ThingsBoard"IoT"Gateway是一個由ThingsBoard官方開源的物聯網軟網關，使用MQTT協議與TB平臺進行通信，為TB平臺提供支持更多協議的數據收集功能和設備管理功能，允許各類設備提交數據至TB平臺。

2.2.3"云平臺

ThingsBoard物聯網云平臺是用于數據收集、處理、可視化和設備管理的開源物聯網平臺，它通過行業標準的物聯網協議：MQTT、CoAP、LWM2M、Modbus和HTTP實現設備連接并支持私有云和本地部署，該平臺能夠定義設備、資產、客戶或任何其他實體之間的關系，收集和存儲遙測數據。使用內置或自定義的小部件以及靈活的儀表盤可視化數據，還可以定義數據處理規則鏈，轉換和規范化設備數據等。

3"項目實施

3.1"ThingsBoard配置

登錄ThingsBoard云平臺，在ThingsBoard租戶管理界面中，為智慧環境項目創建資產、設備配置（Device"Profile），配置智慧環境仿真網關設備和真實網關設備。

3.2"仿真設備安裝

在仿真設備界面安裝PM2.5傳感器、液位傳感器、接入ADAM4017+模擬量采集模塊輸入端口，通過RS485轉232設備接入云終端節點串口，安裝警示燈、水泵、霧化器，通過中間繼電器接到ADAM4150數字量采集器模塊的輸出端口，由RS485轉232設備接入云終端節點串口。給所有設備供上對應的電源，在仿真設備平臺上，點擊模擬實驗，開啟實驗按鈕，到ThingsBoard的設備列表下，查看遙測數據。

3.3"物聯網網關配置

使用默認用戶名與密碼登錄真實設備網關，設置網關地址，增加連接器，創建連接器的設備后，在連接器下添加真實設備：數字量采集模塊ADAM4150、溫濕度傳感器、光照度變送器、二氧化碳變送器、風扇、三色燈紅燈、三色燈黃燈、三色燈綠燈，完成傳感器和執行器的添加，最后設置TBClient參數，填寫IP、端口與Token，其中Token為ThingsBoard該項目真實設備網關的訪問令牌。配置完成后，真實設備網關下連接的設備在ThingsBoard會被自動創建。

3.4"配置設備類型及關系

（1）修改設備類型。以液位傳感器、PM2.5傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照度變送器、二氧化碳變送器對應的Device"profile為傳感器，以風扇、三色燈紅燈、三色燈黃燈、三色燈綠燈、霧化器、水泵、警示燈對應的Device"profile為執行器。

（2）修改設備與資產的關系。設備與資產的關系通常是包含關系，廠房智慧環境監測系統包含液位傳感器、PM2.5傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照度變送器、二氧化碳變送器、風扇、三色燈紅燈、三色燈黃燈、三色燈綠燈、霧化器、水泵、警示燈。

（3）修改設備與設備的關系。風扇關聯溫度傳感器設備，霧化器關聯濕度傳感器設備，三色燈紅燈、三色燈綠燈關聯二氧化碳變送器設備，警示燈關聯PM2.5傳感器設備，水泵關聯液位傳感器設備。

3.5"創建智慧環境可視化界面

（1）打開儀表板編輯界面，添加組件，在實體別名管理界面添加實體別名，液位傳感器、PM2.5傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照度變送器、二氧化碳變送器、風扇、三色燈紅燈、三色燈黃燈、三色燈綠燈、霧化器、水泵、警示燈為單個實體。

（2）在智慧環境儀表板中添加廠房環境曲線顯示組件，在界面中添加圖標組件，設置曲線組件數據源。智慧環境曲線需要顯示溫度、濕度、光照度、CO2濃度、PM2.5濃度、液位的變化情況，全部添加完成，設置環境曲線組件的大小與位置，在編輯界面修改曲線組件標題，設置曲線組件平滑顯示，如圖2所示。

3.6"智慧環境項目策略設置

（1）溫度自動控制策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房溫度的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成溫度自動控制RPC消息的代碼，并從獲取廠房溫度節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將廠房溫度控制規則鏈加入根規則鏈中。

（2）濕度自動控制策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房濕度的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成濕度自動控制RPC消息的代碼，并從獲取廠房濕度節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將濕度控制規則鏈加入根規則鏈中。

（3）CO2濃度超標報警策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房CO2濃度的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成CO2濃度超標報警RPC消息的代碼，并從獲取廠房CO2濃度節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將CO2濃度超標報警控制規則鏈加入根規則鏈中。

（4）PM2.5濃度超標報警策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房PM2.5濃度的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成PM2.5濃度超標報警RPC消息的代碼，并從獲取廠房PM2.5濃度節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將PM2.5濃度超標報警控制規則鏈加入根規則鏈中。

（5）液位自動控制策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房液位的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成液位自動控制RPC消息的代碼，并從獲取廠房液位數據節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將液位自動控制規則鏈加入根規則鏈中。

（6）光照強度不足提示策略設置。設置具體步驟如下：①在ThingsBoard規則鏈庫中，添加一個規則鏈，打開規則鏈編輯界面，從屬性列表中拖拽一個related"attributes到編輯區，在彈出的添加節點的界面中設置參數；②從input輸入源節點拉一條到獲取廠房光照強度的連線，從變換列表中，拖出一個script節點到編輯區，在彈出的添加界面中，加入生成光照自動控制RPC消息的代碼，并從獲取廠房光照強度節點連接RPC命令生成節點；③添加消息監測節點，最后，添加一個發送RPC請求的節點，將光照自動控制規則鏈加入根規則鏈中。

結語

本文從智慧廠房環境監測系統的實際改造需求出發，基于ThingsBoard平臺給出了詳細的項目實施方案，完成硬件設備的安裝與配置、軟件的部署。在平臺IoT上創建配置項目，智慧環境項目儀表板的創建、環境曲線組件的添加和智慧環境項目策略的設置，實現了對廠房環境的一站式智慧管理的升級改造。

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基金項目：重慶公共運輸職業學院第一批青年骨干教師培養計劃

作者簡介：洪政（1994—"），男，土家族，重慶人，本科，副教授，研究方向：物聯網應用、傳感器技術。