基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的電廠廢氣在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

張晶 呂少勝

摘 要：從電廠的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，采用低功耗的STM32為核心處理器。通過信號采集模塊、信號處理模塊、無線通信模塊完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在云平臺查詢數(shù)據(jù)，為電廠和環(huán)保部門提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：STM32;信號采集;信號處理;無線通信;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1 緒論

火電廠在發(fā)電過程中，煤的燃燒會產(chǎn)生SO2，NOx等有害氣體，這些氣體的排放參數(shù)如果不加監(jiān)測和控制，會成為大氣污染物的重要組成部分，同時(shí)這類氣體的大量排放也會對土壤、水源和田地等造成較大的威脅。[1]因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測電廠廢氣的排放指標(biāo)就顯得尤為重要。[2]

從煤電企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、測控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)控制、傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，對基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的電廠廢氣排放在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究。[3]對電廠的廢氣排放進(jìn)行多參數(shù)、多節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)較少、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)較單一、實(shí)時(shí)性較差、數(shù)據(jù)利用率低、信息發(fā)布平臺維護(hù)成本較高、監(jiān)測過程繁雜等問題。

2 硬件設(shè)計(jì)研究

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用STM32為主要控制模塊。核心處理器采用嵌入式編程的方式完成氣體傳感器信號的采集，從硬件和軟件設(shè)計(jì)方面均采用相應(yīng)的措施，確保實(shí)現(xiàn)終端的低功耗。數(shù)據(jù)采集終端采用PM2.5、PM10和SO2傳感器測量排放氣體數(shù)據(jù)及位置監(jiān)測。測量數(shù)據(jù)需要備份，一份用于存儲，一份用于上傳至云平臺。根據(jù)電廠排放數(shù)據(jù)監(jiān)測的實(shí)際需求，設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)完成各個(gè)采集終端氣體數(shù)據(jù)的采集，由信號處理電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、濾波等處理過程，通過SIM900完成被測數(shù)據(jù)的短距離傳送。匯聚節(jié)點(diǎn)可以看作采集節(jié)點(diǎn)的父級節(jié)點(diǎn)，由信號處理模塊，無線通信模塊組成，無線通信模塊是電廠廢氣傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，要做到采用的模塊功耗盡可能低，同時(shí)也要考慮滿足電廠監(jiān)測系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

節(jié)點(diǎn)之間的通信采用nRF24L01單片射頻收發(fā)器件，它工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA。在數(shù)據(jù)傳輸方面實(shí)現(xiàn)相對WiFi距離更遠(yuǎn)。

考慮到電廠的實(shí)際位置等因素，匯聚節(jié)點(diǎn)主要利用4G通信傳輸模塊完成數(shù)據(jù)的傳送。這是匯聚節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸方式上的主要區(qū)別。

3 軟件設(shè)計(jì)研究

數(shù)據(jù)包經(jīng)廣域通信模塊直接或間接發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺存儲與發(fā)布，Linux系統(tǒng)云服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理，用web app訪問云平臺數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)信息查詢。從技術(shù)架構(gòu)上看，物聯(lián)網(wǎng)中的感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，其中包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層起的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與電廠及環(huán)保部門的需求相結(jié)合，設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)人性化界面，對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化的顯示和分析，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，為電廠及環(huán)境監(jiān)管部門提供準(zhǔn)確科學(xué)的數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與測控技術(shù)應(yīng)用于廢氣監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電廠廢氣的有效監(jiān)控。以STM32為核心處理單元，采用嵌入式方式進(jìn)行編程，通過氣體傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊完成NOx、SO2等數(shù)據(jù)的采集，通過信號處理模塊、無線通信模塊、定位模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，并在處理器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，分別用于顯示存儲和發(fā)送至云平臺，自行設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲取、分析與處理。系統(tǒng)采用了低功耗芯片及模塊，延長了系統(tǒng)的使用周期。不易發(fā)生故障;維護(hù)量較小，能夠提供完全的在線操作及實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足現(xiàn)代數(shù)字化電廠的要求。該系統(tǒng)不僅適用于電廠廢氣監(jiān)測，還能擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域的監(jiān)測系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王金雷.煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)在某火電廠的應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44，264.

[2]朱永波.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在熱電廠的應(yīng)用分析[J].煉油與化工，2017，28（1）：56-58.

[3]宋亞奇，周國亮，朱永利.云平臺下輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)存儲優(yōu)化與并行處理[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（2）.