基于智能物聯網技術的環保設備運行監控系統設計研究

摘" 要：針對傳統環保設備監控存在的一系列問題，通過對傳感器布局與數據轉換子系統、監控要素信息傳輸、監控系統數據庫、用戶界面的設計，構建出一套基于物聯網技術的環保設備運行監控系統。在此基礎上，進一步利用深度卷積神經網絡、故障樹分析，提升設備監控運行能力，達到自適應超值預警的效果，實現對環保設備的遠程監控，助力環保事業的發展。

關鍵詞：物聯網 """監控系統 """"系統總體設計 """"數據分析處理[wl1]

中圖分類號：TN918

Research on the Design of Environmental Protection Equipment O0peration Monitoring System Based on Intelligent Internet of Things Technology

ZHANG Jianyi

AVICCNAD Guizhou Honglin Aviation Power Control Technology Co.， Ltdlimited company， Guiyang， Guizhou Province， 550009 China

Abstract： Aiming at a series of problems existing in traditional environmental protection equipment monitoring， this paper constructs a set of environmental protection equipment operation monitoring system based on Internet of Things "（IoT） technology through the design of sensor layout and data conversion subsystem， monitoring element information transmission， monitoring system database， and user interface. On this basis， deep convolutional neural network and fault tree analysis are further utilized to improve the equipment monitoring and operation capability， and achieve the effect of adaptive over-value warning，. rRealize the remote monitoring of environmental protection equipment and help the development of environmental protection.

Key Wwords： Internet of Things; Monitoring system; Overall system design; Data analysis and processing

當今社會環境問題日益嚴重，對人類的生存發展構成了巨大威脅^[1]。我國已經意識到生態環境的重要意義，各種環保設備相繼投入使用，但國內在如何保障設備高效運轉方面仍有很大進步空間。在實際操作中，傳統的監控方式暴露出人力成本高昂、數據記錄與分析滯后、維護管理不便等諸多弊端^[2]，造成了巡檢周期長、錯過最佳干預時機、增加維護成本和停機時間等一系列不良后果。物聯網憑借著高效的遠程監測及操控技術、極強的信息采集能力，實現了實時監控、及時修復、降低維修成本等目的，展現出良好的應用前景。本文將從系統架構設計和數據處理兩大方面進行分析，全面闡釋基于物聯網技術的環保設備運行監控系統。[wl2]

1 ""系統總體設計

1.1 ""傳感器布局與數據轉換子系統設計

1.1.1 ""傳感器布局規劃

（1）覆蓋關鍵部位。將傳感器布置在設備的關鍵部位，以獲取這些部位的實時運行狀態數據。以污水處理設備為例，可以在進水泵或曝氣池等關鍵部位布置流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，從而實時監測設備的運行情況和水質情況。

（2）實現多點監測。對于大型或復雜設備，應在多個關鍵部位布置傳感器，形成多點監測網絡，提高監測的準確性和可靠性。

1.1.2 ""數據采集與轉換

傳感器在感知環境中物理化學變化后，將這些變化轉化為電信號。為方便后續數據的處理分析，上述電信號需要經過模數轉換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）過程，轉化為數字數據。數據采集模塊也應支持多種傳感器接口，如采用集成電路總線、串行外設接口、通用異步收發傳輸裝置等，以兼容不同類型的傳感器。

1.2 ""監控要素數據傳輸

1.2.1 ""有線傳輸

有線傳輸方式在環保設備運行監控系統中扮演著重要角色，這種方式具有傳輸速度快、穩定性高的顯著優點。[A3]

（1）以太網傳輸。以太網作為一種成熟且常用的網絡技術，能夠提供高速、可靠的數據傳輸通道。通過以太網，可以將分布在各個監控點的傳感器數據實時傳輸到中央控制室，確保數據的完整性和時效性。同時，以太網還支持長距離傳輸和大規模組網，適用于覆蓋范圍廣、設備數量多的大型環保設備監控系統。

（2）串口通信。串口通信雖然傳輸速度相對較慢，但在某些特定場景下仍具有較大優勢。例如[A4]"：在一些老舊環保設備的升級改造中，由于設備本身可能不支持以太網等現代通信方式，因此可以采用串口通信進行數據傳輸。

1.2.2 ""無線傳輸

這種方式具有安裝方便、靈活性高的優點，特別適用于難以布線的場合。[A5]

[A6]"（1）Wi-Fi傳輸。Wi-Fi作為一種廣泛應用的無線通信技術，具有傳輸速度快、覆蓋范圍較廣等特點。在一些需要高速傳輸的環保設備監控系統中，可以采用Wi-Fi進行數據傳輸。然而，Wi-Fi傳輸的功耗相對較高，并且覆蓋范圍存在上限，因此在一些對功耗和覆蓋范圍有嚴格要求的場合可能不適用。

（2）藍牙傳輸。藍牙傳輸具有低功耗、短距離通信的特點，適用于一些小型、低功耗的環保設備監控系統。

1.3 ""監控系統數據庫設計

選用MySQL作為主數據庫，用于存儲數據和報警記錄。為應對大規模的數據處理，引入Hadoop分布式文件系統作為數據存儲倉庫，以實現數據的分布式存儲和高效查詢^[3]。當收到環保設備監控信息時，系統可以利用數據庫進行分析比對，并決定是否發出報警。

1.3.1 ""數據安全性與完整性保障

數據庫設計應重視數據的安全性和完整性。系統應采取有效的安全措施，如訪問控制、加密存儲、數據備份等，以確保數據在傳輸和存儲過程中不被篡改或丟失。同時，還應建立完善的數據完整性校驗機制，如數據校驗碼、數據一致性檢查等，用來保證數據的準確性和可靠性。實施定期自動備份策略，可以使用MySQL公司的mysqldump程序進行數據備份，保障數據的完整性和可恢復性。

1.3.2 ""數據查詢與分析功能

數據庫應支持高效的數據查詢和分析功能，以滿足環保管理部門對設備數據的多樣化需求。系統還需要提供豐富的查詢接口和查詢方式，如結構化查詢語言（Structured Query Language，SQL）查詢、圖形化查詢等，以便用戶能夠方便地獲取所需的數據。在此基礎上，還應提供設備數據分析工具和功能，如數據趨勢分析、數據對比分析、數據挖掘等，用于幫助用戶更好地理解和利用數據。

1.4 ""用戶界面設計

1.4.1 ""用戶界面設計原則

用戶界面設計應遵循直觀性、易用性、可定制性等原則。界面應簡潔明了，通過折線圖、儀表盤和地圖展示實時設備數據；操作應簡單便捷，符合用戶的操作習慣；同時，界面還要支持用戶根據實際需求進行定制和配置，支持數據篩選、對比和導出功能。

1.4.2 """報警觸發機制

報警觸發機制是用戶界面報警設計的核心。系統應能夠實時監測分析環保設備的運行數據，當數據超出預設的動態閾值時，自動報警。這些閾值可以根據設備的正常運行范圍、歷史數據與環保標準進行設置。一旦觸發報警，系統應立即通知相關人員采取措施。對于重要的報警事件，系統還可以設置多級報警，通過不同的通知方式和頻率，確保相關人員能夠及時收到報警信息。

2 """環保設備運行的數據分析處理

2.1 ""深度CNN在環保設備運行監控中的應用

2.1.1 """特征提取優勢

卷積神經網絡（Convolutional Neural Network，CNN）可以通過卷積層、池化層、全連接層等結構，自動提取視頻傳感器中的特征信息，實現對圖像的精準識別與分類^[4]。在環保設備檢測中，這意味著管理部門能夠利用CNN對設備圖像進行分析，辨識出設備的外觀缺陷、運行狀態等關鍵信息，極大減輕人工工作量。

2.1.2 """模型訓練與準確分類

利用大量環保設備運行狀態樣本對CNN模型進行訓練后，模型可以高效、準確地識別實時工況。以污水處理廠的曝氣機為例，對于設備突發異常振動、零部件松動導致的異常工況，CNN能夠快速捕捉畫面里的設備外觀和動態變化，將工況細分為輕微故障、中度故障與嚴重故障，為后續針對性處理提供關鍵依據。

2.2 ""基于故障樹的環保設備故障診斷

2.2.1 ""故障樹構建原理

故障樹分析是從系統頂層故障開始，逐步向下分解至基本事件（如設備部件失效、操作失誤等），形成樹狀結構，通過邏輯運算（如與、或、非）連接這些基本事件，描述系統故障的多種可能原因和組合方式。以垃圾焚燒爐為例，頂層事件設為“焚燒爐運行中斷”，往下細分中間事件，可以找出“燃燒系統故障”“進料系統堵塞”等原因；再進一步剖析底層基本事件，則涵蓋“燃燒器點火故障”“螺旋進料器卡頓”等具體部件失效情況。

2.2.2 ""故障概率計算與排查策略

賦予故障樹各基本事件發生概率值，基于布爾代數與概率計算法則，向上推算各中間事件、頂層事件發生概率，鎖定高概率故障模塊。故障發生時，維修人員可以根據故障樹自上而下排查，優先檢查高概率故障分支。

2.3 ""自適應超值預警技術

自適應超值預警技術作為該系統中的一個關鍵環節，通過數據庫信息比對、卷積網絡神經分析等先進技術，實現了對環保設備運行狀態的智能預警。

2.3.1 """動態閾值設定機制

自適應超值預警的閾值采用非恒定設計，它是基于設備大數據挖掘與實時運行追蹤來動態厘定的。首先，收集設備過往數年的運行參數，借助統計分析法明確各參數常態分布區間。其次，運用[A7]"均值、標準差界定基礎閾值范圍，在此基礎上，考慮季節更迭、生產峰谷對設備負荷的影響，使閾值隨時間規律波動。

2.3.2 """防誤報機制

物聯網傳感器實時采集環保設備各種運行數據，以秒甚至毫秒傳至監控系統。自適應預警技術即刻比對實時數據與動態閾值，一旦數據逾越預警界限，迅速啟動初步甄別機制^[5]。因設備運行偶有瞬時波動，故采用滑動時間窗算法，只有持續異常達到設定時長，才確認為有效超值信號。

3 ""結語

本文針對當下環保設備傳統監測模式的諸多弊端，通過系統總體設計和數據分析處理兩方面，打造出適合社會發展的環保設備運行監控系統，從而為環保事業提供更先進的技術支持。

參考文獻

[1]林聰.生態環保行業面臨的危機與對策[J].中國環保產業，2023（7）：21-22.

[2]邢丹.環保設備遠程智能監控與運維系統研究[D].淮南：安徽理工大學[A9]"，2024.

[3]劉鼎立，許貴林，楊悅，等.基于MySQL協議的數據庫運維代理系統設計[J].無線互聯科技，2024，21（20）：57-61.

[4]劉輝，李陽，侯一民.用于軸承故障診斷任務的輕量化卷積網絡[J].哈爾濱理工大學學報，2024，29（4）：80-88.

[5]王鈺豪，郝家勝，張帆，等.鉆井溢流風險的自適應LSTM預警方法[J].控制理論與應用，2022，39（3）：441-448.