基于云計算技術的智能環境監控系統設計

趙英　王蓉

摘 要 針對目前環境檢測控制的本地控制弊端，提出利用云計算服務平臺進行遠程智能環境監控。通過傳感器實時采集室內的氣壓、溫度等被檢測量，當某一個參數被探測為超出標準時，控制系統采用無線通信方式自動控制相應的外圍設備進行相應的安全防范操作，同時配備手機APP實現遠程檢測和控制。測量環境通風范圍0～2m/s。

關鍵詞 云計算技術 智能環境監控系統 工業以太網

0 引言

當前，國內外對于供電部門、水質污染、安全隱患提出了無線視頻監控系統解決方案，相關論文較多，但將計算機、無線通信、智能控制等技術綜合的運用，做成專用無線自動傳信控制器應用到工業生產環境監測控制中還不多，對企業生產中煙霧、有毒氣體、風速、粉塵等原因造成的環境污染、資源浪費進行自動監測的研究和產品更是不多。國外工業生產環境監控體系對我國工業生產中起到了推動的作用，也為我國監控系統的建立提供了參考作用，但國外環境監控系統均是綜合型體系，這些系統存在如下問題：（1）性價比低，即系統價格過高，難以承受；（2）管理系統軟件在文檔處理上有些不符合中國國情；（3）系統體積、重量比較大；（4）升級維護困難；（5）管理模式落后。

目前環境監測控制系統在國內尚屬剛剛起步，傳統的環境監測控制僅僅是本地監控控制，無法將數據匯總到互聯網大數據中。

本系統完成了從本地監測到遠程監控、控制的一系列功能，未來不僅應用于工業生產室內環境的監控，也可拓展至工業室外自然環境、社區、家庭、室內等多領域應用。與傳統工業環境監測控制設備相較，本設計主要有以下優勢：（1）智能控制室內環境的風速壓力，不論外部環境如何改變（例如開窗、開門等操作），系統智能調節風速，當有人工作時，風速會穩定在一個安全值，當監測到廠房沒人時，系統將以一個低功耗模式工作。始終將廠房風速維持在一個穩定的值，既能保證一個安全的通風風速，也杜絕了風速過大而造成的資源浪費。（2）環境監控系統不僅僅能本地智能控制，而且采用無線通信方式，實現遠程智能控制。管理人員僅需一臺能上網的電腦，打開瀏覽器就能實現對每一個廠房、每一臺設備的監控以及控制。同時還有配套的手機APP實現遠程監控和控制。

1 系統結構

系統利用STM32、無線通信、無線傳感TEEN協議和智能控制等技術的綜合運用，引進物聯網、云計算和模擬仿真核心技術，研制一套研制工業生產環境智能監控和專用軟件系統，在實現工業現場煙霧、有毒氣體、風機風速、粉塵等數據的在線檢測、傳信、監控、顯示、報警等，并自動控制風閥排出有毒氣體、粉塵等，對各個廠房環境進行遠程監控、遠程控制。系統主要由三大部分組成：

（1）端采集設備：包括粉塵濃度、空氣濕度、有害氣體濃度等各類數。據采集終端，由M2M通信模塊將獲取的環境數據傳送到采集設備。

（2）集中控制器：M2M通信模塊可自動管理終端采集設備網絡中的子節點路由；中央處理器模塊完成對傳感器的信息收集、處理，并可根據預警模型自動觸發指令控制外圍設備進行相應的操作，信息數據展示在控制器液晶屏，并通過RJ-45網絡端口發送到指定的遠程云端管理系統。

（3）基于云計算架構的管理系統：可管理多個集中控制器傳送的環境數據，遠程連接集中控制器實時采集、監控、控制不同區域的各個終端。

2 硬件設計

如圖1所示，系統硬件主要包括傳感器采集終端和網絡集中控制器。傳感器采集終端選用溫度、CO氣體、光敏、粉塵濃度、火焰等相應的傳感器，各個傳感器分別搭載一個Zigbee節點模塊作為一個數據收集終端設備，當傳感器采集數據后，由Zigbee節點模塊上的處理器按照上傳到協調器。Zigbee節點模塊采用STM32F10X片上系統芯片，利用芯片上的A/D模塊和I/O接口與傳感器連接。

為將不同傳感器與CC2530芯片相連，硬件設計上采用統一的可插拔式模塊化設計接口：a）可與開關量傳感器直接相連的IO口；b）可與模擬量傳感器相連的ADC接口；c）I2C接口。

網絡集中控制器主要包括Zigbee協調器模塊、網絡接口模塊（有線/無線WIFI）。

3 軟件設計

傳感器采集終端使用TI公司成熟的Zigbee協議棧Z-Stack，其優勢是低功耗狀態下可實現自組織管理Zigbee網絡，在同一網絡中，可借由路由器節點容納多達65535個節點，對于大型的室內環境且傳感器節點較多的場合非常適用。[1]

如圖2所示為Zigbee網絡示意圖，其中黑色為協調器，紅色為路由器，白色為終端設備。可見一個Zigbee網絡中只有一個協調器。

網絡集中管理器作為Zigbee體系的協調器，負責組建和管理Zigbee體系，并收集環境數據。同時作為上層服務器應用的數據接口，將收集的環境數據通過統一的數據協議格式發送給服務器。

服務器軟件設計主要負責傳感器數據的存儲、分析和處理，包括后臺數據庫和應用服務軟件。應用服務軟件的任務包括：分析任一節點上報的傳感器數據，與正常范圍進行比較，若超出安全閾值則觸發安全警報；記錄下任一節點上報的傳感器數據，繪制環境變化曲線圖供用戶查看與分析；控制室內的安全措施裝置，包括消防安全水筏、通風換氣筏、電器電路系統等。

4 結語

智能室內監控系統是目前高速發展的物聯網應用技術的應用產品，通過合理地部署傳感器終端采集數據，再利用網絡通信上傳到后臺云服務器中心進行數據分析和處理，實現了物聯網“端-管-云”三個層次的綜合應用。系統根據企業生產設備現場的各類煙霧、有毒氣體、粉塵、風速等環境參量進行在線檢測、傳信、監控、顯示、報警等，設計出性價比高的各不相同的專用工業生產環境監測系統，從而形成完整可用的工業生產環境智能監控系統，具有連續性、在線性、實時性、唯一性，并能自動傳遞各種檢測信息，傳輸范圍大等特點。滿足工業生產現場對環境信息監測的需求，對推進環保、保障人類健康，節約能源，構建和諧社會有著極大的意義。

參考文獻

[1] Texas Instruments，Inc.，Z-Stack Developers Guide，2012，Chapter2.