宋永生

摘要：隨著各地化工園區(qū)的興建，環(huán)境風險不斷增加，園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測迫在眉睫。LoRa功耗低、傳輸距離遠、組網(wǎng)節(jié)點多、抗干擾能力強，在物聯(lián)網(wǎng)領域得到廣泛應用。利用LoRa構建園區(qū)地面監(jiān)測網(wǎng)，結合無人機掛載的4G移動監(jiān)測設備，形成園區(qū)立體式監(jiān)測網(wǎng)，有利于提高空氣質(zhì)量監(jiān)測的準確度。

關鍵詞：化工園區(qū)；空氣質(zhì)量；LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；4G

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0255-0c

Abstract： With the construction of chemical industrial parks and the increasing environmental risks， the monitoring of air quality in the park is imminent. LoRa is widely used in the field of Internet of Things because of its low power consumption， long transmission distance， many networking nodes and strong anti-interference ability. Using LoRa to construct the park ground monitoring network and combining with the 4G mobile monitoring equipment mounted by UAV， the park three-dimensional monitoring network is formed， which is beneficial to improve the accuracy of air quality monitoring.

Key words： Chemical Industry Park；Air quality；LoRa；Internet of things；4G

隨著工業(yè)化的推進，各地化工園區(qū)如雨后春筍般紛紛興起。化工園區(qū)內(nèi)的原材料及產(chǎn)品很多涉及?；?，種類多數(shù)量大。不少化學品具有毒性且不穩(wěn)定，相互之間還可能發(fā)生反應，這些化學品一旦泄露，將會給園區(qū)空氣造成不同程度的污染。個別不法企業(yè)還會偷偷排放不達標的廢氣，化工園區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測迫在眉睫。

電信運營商的2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡覆蓋廣，但基于蜂窩通信技術的M2M功耗大、成本高。為滿足遠距離物聯(lián)網(wǎng)設備的連接需求，產(chǎn)生了低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術。 LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計，是蜂窩M2M連接的有效補充方案[1]。LPWAN可分為兩類：一類是以NB-IoT為代表的工作于授權頻段的技術，另一類是以LoRa為代表的工作于免費頻段的技術。

NB-IOT是由運營商統(tǒng)一部署網(wǎng)絡，并進行收費的方式運營。NB-IOT支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接，支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。LoRa在免費頻段運行，用戶可以自行組網(wǎng)，提供一種能夠簡單實現(xiàn)距離遠、功耗低、組網(wǎng)節(jié)點多的傳感網(wǎng)絡。LoRa信號對建筑的穿透力強，搭載LoRa模塊的終端可以部署在方圓幾公里內(nèi)的任意地方，使用電池供電，維護成本低，適合在化工園區(qū)部署。

本文嘗試將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到化工園區(qū)空氣質(zhì)量的監(jiān)測中去，LoRa網(wǎng)絡負責地面固定監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)傳輸，4G網(wǎng)絡負責無人機掛載的移動監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)傳輸，從而構成化工園區(qū)立體的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，有利于提高化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測的準確度。

1 系統(tǒng)架構

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個部分：監(jiān)測終端和監(jiān)測服務平臺。監(jiān)測終端主要負責空氣質(zhì)量各項數(shù)據(jù)的采集、將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測服務平臺及執(zhí)行指令；監(jiān)測服務平臺主要包含終端接入模塊、終端解析模塊、分析報警模塊、終端可視化模塊和反向控制模塊；監(jiān)測終端和監(jiān)測服務平臺通過4G網(wǎng)絡相連。系統(tǒng)架構如圖1所示。

2 相關技術模塊

2.1固定監(jiān)測終端

固定監(jiān)測終端包含傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信模塊，如圖2所示。傳感器負責采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器利用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測服務平臺。由于不同化工企業(yè)產(chǎn)生的氣體不盡相同，所以不同監(jiān)測點的氣體傳感器的選擇也不同?？刂破魍ㄟ^執(zhí)行器完成指令動作?；@區(qū)空氣質(zhì)量固定監(jiān)測終端的常用傳感器有PM2.5傳感器、Cl2傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、H2S傳感器及CO傳感器等，常用的執(zhí)行器有揚聲器、LED燈及滅火器等。

固定監(jiān)測終端的控制器選用TPYBoard V102開發(fā)板，該開發(fā)板的核心是STM32F405單片機，TPYBoard支持MicroPython編程。MicroPython是Python 3語言的精簡高效實現(xiàn)，擁有自己的解析器、編譯器、虛擬機和類庫等?；@區(qū)內(nèi)的固定監(jiān)測終端通過LoRa網(wǎng)絡與網(wǎng)關通信，通信模塊選用E32-TTL-100，它是一款基于SEMTECH公司SX1278射頻芯片的無線串口模塊[2]，采用LoRa擴頻技術，TTL電平輸出。固定監(jiān)測終端安裝方便，無須布線，能夠在監(jiān)測服務平臺上對監(jiān)測點進行管理。

2.2 網(wǎng)關

網(wǎng)關負責LoRa局域網(wǎng)的組建和維護，局域網(wǎng)和外網(wǎng)的消息轉(zhuǎn)發(fā)，終端設備的管理等。網(wǎng)關的主控芯片選用樹莓派，它有一個完整的ARM處理器，軟件資源豐富，運行穩(wěn)定。樹莓派沒有Flash芯片，數(shù)據(jù)存儲于TF卡中，默認操作系統(tǒng)是Raspbian。樹莓派上可以利用Python、C、C++、Java或匯編語言進行編程[3]，安裝SQLite用于存儲數(shù)據(jù)。網(wǎng)關是固定監(jiān)測終端與監(jiān)測服務平臺之間信息轉(zhuǎn)換的通信樞紐，通過4G與監(jiān)測服務平臺通信，通過LoRa與固定監(jiān)測終端通信。LoRa通信模塊選用集成度更高、信道數(shù)更多的SX1301芯片[4]，如果終端較少，也可以用SX1278芯片，樹莓派通過串口與之連接。

網(wǎng)關接收固定監(jiān)測終端通過LoRa網(wǎng)絡發(fā)送來的JSON格式的數(shù)據(jù)，解析這些數(shù)據(jù)并根據(jù)解析結果采取相應的策略，如轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測服務平臺。固定監(jiān)測終端在安裝時采集經(jīng)緯度及海拔信息，將固定監(jiān)測終端的位置及狀態(tài)信息則保存在網(wǎng)關SQLite數(shù)據(jù)庫中。

2.3 移動監(jiān)測終端

移動監(jiān)測終端掛載于無人機下方，無人機通過無線圖像傳輸技術將攝像頭拍攝的畫面?zhèn)鬏數(shù)綗o人機遙控器或飛行眼鏡上，移動監(jiān)測終端將空氣質(zhì)量、經(jīng)緯度及海拔等數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測服務平臺。當?shù)孛嫔系墓潭ūO(jiān)測終端監(jiān)測到空氣質(zhì)量異常時，其執(zhí)行器立即發(fā)出警報聲，采取必要的應急措施，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測服務平臺，管理人員圍繞問題區(qū)域為無人機規(guī)劃路徑，無人機將按照規(guī)劃好的路徑飛行。移動監(jiān)測終端包含傳感器、控制器、執(zhí)行器、定位模塊及通信模塊。傳感器負責采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，定位模塊負責采集經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)，控制器利用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測服務平臺。當空中某處空氣質(zhì)量異常時，移動監(jiān)測終端的執(zhí)行器發(fā)出警報聲并采取必要的措施。根據(jù)存在問題區(qū)域的情況調(diào)整移動監(jiān)測終端的氣體傳感器。移動監(jiān)測終端的控制器選擇樹莓派，由于移動終端快速移動，數(shù)據(jù)量較大，選擇4G通信模塊。

2.4 通信協(xié)議

MQTT是基于TCP/IP協(xié)議構建的一種輕量靈活的通訊協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)領域有著廣泛的應用。MQTT是采用Pub/Sub方式的協(xié)議，提供了三種等級的服務質(zhì)量。MQTT支持異步通信，在時間和空間上將消息發(fā)送者與接收者分離，可在不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境中擴展，適用于設備間消息通信或需要反向控制的場景。CoAP是運行在UDP協(xié)議之上的應用層通訊協(xié)議，傳輸?shù)膬?nèi)容小巧精簡。CoAP對資源的要求更低，多用于數(shù)據(jù)上報的場景。對于MQTT協(xié)議來說， 相比CoAP它更加完善[5]。本文選擇MQTT作為網(wǎng)關及移動監(jiān)測終端與監(jiān)測服務平臺之間的通信協(xié)議，便于反向控制。

2.5 監(jiān)測服務平臺

監(jiān)測服務平臺是化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的管理后臺，分為終端接入模塊、終端解析模塊、分析報警模塊、終端可視化模塊和反向控制模塊。MQTT Broker選用Mosquitto。Mosquitto是一款C語言編寫的輕量級的開源消息代理軟件，實現(xiàn)了MQTT協(xié)議 3.1和3.1.1。Mosquitto作為消息訂閱者與發(fā)布者的中介，支持可發(fā)布可訂閱的消息推送模式，接受來自客戶端的網(wǎng)絡連接、訂閱、發(fā)布信息等請求，轉(zhuǎn)發(fā)消息給符合條件的訂閱客戶端，客戶端可以將消息寫入數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

3 平臺實現(xiàn)

化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的服務器選用騰訊云服務器，服務器配置為2核CPU、4G內(nèi)存、50Mbps帶寬、100G硬盤，操作系統(tǒng)選用Windows 2008 R2 SP1 64位，Web發(fā)布器選用IIS7.5，數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2008 R2 64位，利用ASP.NET+AJAX技術構建監(jiān)測服務平臺，調(diào)用騰訊云短信API，實現(xiàn)服務平臺短信發(fā)送功能。在Mosquitto官網(wǎng)下載安裝mosquitto 1.5.2，并在slproweb.com下載安裝Win64 OpenSSL v1.1.0 Light，構建MQTT broker。

在Eclipse paho C#版的基礎上，開發(fā)監(jiān)測服務平臺的MQTT客戶端，完成消息訂閱、發(fā)布并將消息存入SQL Server數(shù)據(jù)庫的功能。

在Eclipse paho Python版的基礎上，開發(fā)網(wǎng)關及移動監(jiān)測終端的MQTT客戶端，完成消息的訂閱、發(fā)布功能，完成網(wǎng)關的消息轉(zhuǎn)發(fā)及終端信息保存等功能，完成移動監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集、報警及執(zhí)行指令等功能。利用MicroPython開發(fā)固定監(jiān)測終端的程序，完成數(shù)據(jù)采集、報警及執(zhí)行指令等功能。

固定監(jiān)測終端通過LoRa與網(wǎng)關通信，網(wǎng)關通過4G將固定監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測服務平臺。移動監(jiān)測終端通過4G與監(jiān)測服務平臺通信，服務平臺將控制指令發(fā)給移動監(jiān)測終端或經(jīng)網(wǎng)關發(fā)給固定監(jiān)測終端。數(shù)據(jù)交換格式均為JSON。

根據(jù)化工園區(qū)內(nèi)不同區(qū)域產(chǎn)生的不同氣體，為不同監(jiān)測點選擇不同的傳感器，并設置不同的報警閾值。當固定監(jiān)測終端探測到某種氣體濃度超出閾值時，其執(zhí)行器立即發(fā)出警報聲，服務平臺獲取信息后發(fā)送短信給管理人員。管理人員根據(jù)問題區(qū)域的情況為移動監(jiān)測終端選擇合適的傳感器，為無人機規(guī)劃飛行路徑，無人機搭載移動監(jiān)測終端按照規(guī)劃的路徑飛行，管理人員可查看現(xiàn)場的圖像及移動監(jiān)測終端的空氣質(zhì)量、經(jīng)緯度及海拔等數(shù)據(jù)，結合固定監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)為救援做決策，可以向固定及移動監(jiān)測終端發(fā)送應急指令，采取措施以減小損失。在日常，無人機掛載移動監(jiān)測終端在園區(qū)內(nèi)飛行巡檢，與地面的固定監(jiān)測終端形成立體的監(jiān)測網(wǎng)，有利于提高監(jiān)測的準確度。

4 結束語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到化工園區(qū)空氣質(zhì)量的監(jiān)測中，設計并實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)，固定監(jiān)測終端利用LoRa網(wǎng)絡構成了園區(qū)地面監(jiān)測網(wǎng)，結合無人機掛載的移動監(jiān)測終端，構成了一個立體的監(jiān)測網(wǎng)絡，有助于提高園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測的準確度。目前移動監(jiān)測終端的操控還需人工參與，將來可以利用AI技術，在出現(xiàn)異常時，移動監(jiān)測終端自動選擇傳感器，無人機自動規(guī)劃巡航路徑并巡航，采集空氣質(zhì)量情況，采取必要的應急措施。

參考文獻：

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