基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)

莫然　張進

摘 要：在計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)及移動通信網(wǎng)絡(luò)的相繼發(fā)展之后，物聯(lián)網(wǎng)這個的概念在推出以來就在世界各行各業(yè)中進行大力推廣應(yīng)用，目前已被公認為當今世界信息產(chǎn)業(yè)革命的第3次浪潮。工業(yè)為我國的重大產(chǎn)業(yè)鏈之一，目前在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要的地位。我國在工業(yè)中不斷引進物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，全面的推進我國工業(yè)信息化建設(shè)的前進步伐。物聯(lián)網(wǎng)通過RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)挖掘等新型技術(shù)的應(yīng)用，依靠移動網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，再通過傳感器采集到的底層工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，最終形成一個帶有智能感知作用、具有遠程控制功能的無線實時監(jiān)控系統(tǒng)。本文以工業(yè)現(xiàn)場危險氣體監(jiān)測為背景，建立危險氣體濃度的無線信息數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線；采集；監(jiān)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.033

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用也不斷擴大。在2012年中，上海建立了物聯(lián)網(wǎng)的智能家居——“上海體驗中心”，很明確的體現(xiàn)出當今物聯(lián)網(wǎng)在社會智能家居廣泛的應(yīng)用；隨后北京交通大學(xué)將物聯(lián)網(wǎng)運用在智能交通的設(shè)備上應(yīng)用；同時物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在當前工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用中也逐漸突顯出來，其優(yōu)點也比傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線多了許多。

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IOT）是在計算機、互聯(lián)網(wǎng)、以及移動通信網(wǎng)絡(luò)以后又一次的產(chǎn)業(yè)革命。在十一五期間，物聯(lián)網(wǎng)正式被列入國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的定義是由紅外傳感器、射頻識別、全球的定位和各種傳感器設(shè)備等信息傳感的設(shè)備，遵循某種定義通訊的協(xié)議，將一些需要的物體與Internet連接，之后進行網(wǎng)絡(luò)信息之間的交互與通信等事件，就可實現(xiàn)這些物體智能的感知、監(jiān)控、定位、跟蹤和管理的獨特網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在新一代的信息技術(shù)充分的運用到各種行業(yè)中，例如能源、交通、建筑、市政、家庭等，并且將現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)與之結(jié)合，實現(xiàn)了智能互聯(lián)網(wǎng)的世界。人們能以更精細和更智能的方法來管理生活及生產(chǎn)，以實現(xiàn)“智慧”的狀態(tài)，來提高資源的利用率以及生產(chǎn)力的水平，還可以改善人與自然之間的關(guān)系[1]。

隨著計算技術(shù)、微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，也帶動了多功能的傳感器快速的發(fā)展，能使模塊在很小范圍內(nèi)可做到集成化的信息數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)處理和無線的通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是在監(jiān)控區(qū)域由大量傳感器模塊組成的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，以無線的方式形成多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它的目的是多點協(xié)作感知、數(shù)據(jù)采集和處理當前網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)節(jié)點對象的數(shù)據(jù)信息，且將數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。傳感器的節(jié)點、感知的對象以及監(jiān)測中心組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素[2]。

2 危險氣體物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

無線傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)由于擁有成本低、自組織、搭建靈活等優(yōu)點，使得其在民用、軍事等方面領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，是當今IT主要研究的領(lǐng)域方面。但是某些傳感器的節(jié)點自身其硬件的條件卻限制傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)利用，尤其當傳感器的節(jié)點的供電電池容量不大，而且輸送范圍較短。因此，為使傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的得以繼續(xù)，如何有效的運用傳感器系統(tǒng)低容量的電量，是設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議必須加入的一個重要的因素。通過不同產(chǎn)品分析，這些數(shù)據(jù)的傳輸消耗電量占有著總電量損耗的一大部分。因此，低能耗的傳輸協(xié)議系統(tǒng)的設(shè)計成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行深入研究其中一個重點問題。無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)當前有3種數(shù)據(jù)的傳輸方式：第一種是傳感器節(jié)之點間數(shù)據(jù)的傳輸，第二種是在基站到傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)的傳輸，第三種就則是在傳感器的節(jié)點到基站之間數(shù)據(jù)的傳輸[3]。

本文主要是為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計，以危險氣體監(jiān)測設(shè)備為目標對象，設(shè)計且完成符合危險氣體濃度的真實情況的、擁有物聯(lián)網(wǎng)特征的智能氣體監(jiān)測設(shè)備。它通過以每個氣體監(jiān)測模塊為傳感器的節(jié)點，把整個工業(yè)現(xiàn)場為劃分成若干個小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)。將采集的節(jié)點信息數(shù)據(jù)通過每個傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)端口進行匯聚，再被傳送至Internet中，接著傳給云計算的平臺進行信息數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)活動，最后將其上傳至用戶的終端。用戶也可通過Internet網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測模塊進行設(shè)置或標定。這當中的網(wǎng)關(guān)主要作用是用來連接傳感網(wǎng)絡(luò)及其他類型的公共網(wǎng)絡(luò)，再進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)匯聚，可以起到一個連接的作用。大數(shù)據(jù)云計算平臺是目前一種互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)延伸及拓展，它通過互聯(lián)網(wǎng)所需獲取資源信息的一個信息化服務(wù)中心平臺，這個平臺相當于一個遠程的數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)不斷的存儲，若用戶需要查看氣體監(jiān)測模塊工作狀態(tài)或者采集數(shù)據(jù)時，能夠直接向云計算的平臺發(fā)送命令進而可以信息提取的活動。通過此信息網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，用戶能夠更加方便快捷有效的對所在生產(chǎn)進行實時的管理及監(jiān)控，進而大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率并且節(jié)省生產(chǎn)成本。本文主要是對氣體監(jiān)測傳感器節(jié)點的研究與設(shè)計，通過目前成熟的技術(shù)方式將氣體監(jiān)測設(shè)備組成為物聯(lián)網(wǎng)的一個數(shù)據(jù)終端。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

面向物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)模塊的測量采集功能，還需要具備物聯(lián)網(wǎng)的特征，要求其能夠接入Internet或者局域網(wǎng)。故硬件設(shè)計是能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括AD采集模塊、危險氣體傳感器、GPRS網(wǎng)關(guān)模塊、ZigBee通訊模塊、存儲模塊、4～20mA電流輸出的模塊以及按鍵顯示的模塊等構(gòu)成。

本監(jiān)測系統(tǒng)減少了電纜的使用，降低了整套設(shè)備的生產(chǎn)成本，同時保障安全性和可靠性。在系統(tǒng)硬件設(shè)計方面，選用Stm32f103ZET6單片機，功耗低至3W，直流電源選用開關(guān)型的集成芯片穩(wěn)壓電路，相比傳統(tǒng)的線性集成芯片的穩(wěn)壓電路，當壓差越大，開關(guān)型集成芯片穩(wěn)壓電路其轉(zhuǎn)換效率就會越高，使功耗大大降低；在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，增加初始化程序，以防止系統(tǒng)程序跑分。數(shù)據(jù)處理采用BP補償?shù)乃惴?，以實現(xiàn)非線性補償?shù)恼{(diào)整，使系統(tǒng)精度大大提高。最后通過不同的測試，對采集數(shù)據(jù)的查詢和危險氣體監(jiān)測模塊的標定全部都可以用無線網(wǎng)關(guān)進行配置，達到了設(shè)計要求和目的。

參考文獻：

[1]楊慶柏，郭永樹.智能變送器特點及其應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，1998（09）：42—44.

[2]方原柏.變送器更精確、更穩(wěn)定、更安全[J].控制工程中文版，2005（04）：36-39.

[3]崔淑琴.智能壓力傳感器的研究與設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005.

作者簡介：莫然（1992-），男，遼寧沈陽人，碩士，研究方向：智能控制。