基于物聯網的環境在線監測設備質量控制系統

強學棟

（南通市計量檢定測試所，江蘇南通 226001）

0 引言

隨著我國工業結構調整與產業技術升級的發展和滿足實現循環經濟和節能減排的要求，環境在線監測設備的需求不斷增加，環境監測儀器的應用范圍和領域不斷擴大。當前我國環境在線監測設備種類繁多，質量參差不齊，部分故障率較高，使用壽命比較短；環境在線監測設備技術飛速發展，儀器的檢定校準方法和技術滯后，在線校準技術不成熟；再加上環境在線監測設備的使用環境比較惡劣等，這些因素了導致環境在線監測設備質量不能得到有效控制，監測設備出具的數據置信水平不高，不能正確反映狀況，給管理和監管部門的決策帶來了不可忽視的影響。

而利用物聯網技術對環境在線監測設備質量進行控制可以較好地解決上述問題。通過物聯網技術，實時接收設備環境參數、及設備各項指標參數，實時分析設備性能，對設備進行全壽命周期的控制，對可能發生故障風險、儀器失準作出趨勢性判斷，為設備質量管理體系提供更加科學的依據。

1 物聯網技術

物聯網技術（Internet of Things，IoT）是現代信息技術發展的一個重要階段，被稱為世界信息產業發展的第三次浪潮，是信息技術的重要組成部分之一。從字面意思理解，物聯網即物與物進行相互聯接的網絡，其內涵包括兩個方面：一方面物聯網仍然以互聯網作為核心和基礎，物聯網其實際上是互聯網的一種延伸和拓展；另一方面則是物聯網是以物品作為用戶端來進行信息的共享和交換。傳感器技術、智能感知、識別技術等均在物聯網中獲得了廣泛的應用。由此可以看出，物聯網除了具有互聯網的屬性外，還提出了業務和應用方面的特點。

2 環境在線監測設備質量控制系統構成

利用物聯網技術的環境在線監測設備質量控制系統構成如圖1所示。傳感器是整個系統的神經元。負責持續感知、采集環境在線監測設備的各種參數及運行的環境信息、由于該類狀態屬于瞬時信息，一直在持續不斷累積，所以傳感器節點需要將信息向下一級發送。傳送的下一層到中繼節點，主要功能是上一節點數據的預處理，主要是數據加密、融合和封裝。根據路由算法和無線通信協議，數據通過中繼節點之間的逐步和多跳路徑以中繼方式發送到下級網絡。

圖1 環境在線監測設備質量控制系統

為了實現與下層的各類網絡的互通會按照下層網絡的類型來進行網關節點的設置。網關節點的主要功能是實現局域網中設備之間的連接，從而使管理層、部門以及班組之間的設備形成一種多向、透明的傳輸通道，進而建立起一種系統化的等級監控來進行設備的質量控制。在質量控制系統中，其所收集的設備信息需要在專門的數據服務器中進行儲存，并由專門的質量監控軟件對這些信息數據進行分類、統計、分析和評估，從而找到可能導致設備出現故障的因素，為維護工作的開展提供指導信息。這些指導信息可以通過現有的移動網絡資源發送到不同的智能終端，例如智能手機、PDA，iPad等。持有此類終端的人員可以在任何時候接收任務信息，迅速到達設備現場，并根據指導方案迅速查找到故障點，以消除潛在故障并防止惡化。使設備的狀態保持在一個較好的水平。此外，還可以通過互聯網向相關設備服務單位和監管部門發送信息，如設備制造商、維護單位、計量技術機構、監管單位等。最終實現遠程監控，信息資源共享，增強協同管理和跨區域管理能力。

3 環境在線監測設備質量控制系統的層次化網絡架構

該系統由感知層、網絡層、網關層和應用層等4個層次組成。感知層主要功能是識別對象和收集信息。它由各種傳感器網關和傳感器組成。感知層的結構是以設備為中心，由各國傳感器節點與設備進行連接而形成的多個星形網絡。在設置傳感器節點時，需要根據設備的環境參數，壓力，溫度、濕度等所需要檢測的指標來進行。在感知層中，傳感器的主要作用是對設備狀態進行收集和上傳，但對數據本身并不執行任何處理操作。

網絡層對整個物聯網系統的作用就是，猶如神經系統對人的作用，具有傳輸和通道的作用，它由每個中繼節點以樹或網狀網絡形式組成的短距離無線通信網絡，并基于UWB，WLAN，Wi-Fi，Bluetooth或紫蜂協議實現數據無線收發。數據處理和路由是中繼節點的2大功能。由于上一層節點的數據處理功能被削弱，因此本級節點就必須承擔大量數據處理的功能。中繼節點的核心是由高性能ARM、數字信號處理或ARM和DSP雙核處理器組成。中繼節點的主要作用體系在數據的壓縮、去除冗余的原始數據、確定數據加密級別和傳輸優先級，此外還能夠根據網絡的延遲、吞吐量、節點能量等對數據傳輸的路徑進行優化。

網關層的主要作用是使各種異構網絡之間能夠順利進行通信，從而對網絡平臺進行更好的利用。網關層在進行Internet、移動通信網絡和局域網的對接時主要是通過網絡接口的各種標準協議來實現的，如以太網RJ45接口、GSM/GPRS接口、3G標準3網絡接口——TD-SCDMA接口、CDMA2000接口ACE、WCDMA接口等。

應用層收集和分析物聯網的數據。并提供人機交互界面。這里的人機交互界面既包括人與計算機的交互，還包含各種能提供信息反饋的應用程序，例如數據存儲、分類管理、分析與評價和決策指導等。數據存儲涉及設備的各種測量參數的在線記錄。這些原始監測數據反映和記錄設備的運行狀態，可以隨時由使用單位設備控制人員，管理人員和部門查詢，也可以作為計量行政部門、環保部門監管環境在線監測設備和內部管理的依據。根據環境在線監測設備所屬部門，檢定校準周期、期間核查周期、維護范圍等內容可以實現設備的分類管理，并根據相關要求設計一套管理軟件，使環境在線監測設備數據分類實現邏輯結構清晰，層次明朗的目的。分析和評估基于智能軟件，依據傳感器發送的環境在線監測設備監測數據，結合環境在線監測設備正常運行的參數和要求，對環境監測設備的檢測數據的置信水平進行分析判斷。對于各類服務對象，輸出內容可以是個性化的。它可以用于用戶單位和維保單位，及時反饋測試結果和維護服務建議；它還可以用于政府行政部門，用于監管設備和企業內部管理。

4 結語

通過根據物聯網結構的特點，將質量控制系統劃分為感知層、網絡層、網管層和應用層等4個層次，實現了環境在線監測設備全壽命周期的質量控制，提升了設備的精細化管理水平，但在實現的過程中仍然有一些問題需要解決。諸如環境在線監測設備類型繁雜，收集到的數據龐雜，如何利用數據進行質量控制分析等，這些問題需要在將來的工作中進一步完善和探討。