基于物聯網云平臺的電廠廢氣在線監測系統研究

張晶 呂少勝

摘 要：從電廠的生產實際出發，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據的采集和傳輸，并結合物聯網技術，實現在云平臺查詢數據，為電廠和環保部門提供科學依據。

關鍵詞：STM32;信號采集;信號處理;無線通信;物聯網技術

1 緒論

火電廠在發電過程中，煤的燃燒會產生SO2，NOx等有害氣體，這些氣體的排放參數如果不加監測和控制，會成為大氣污染物的重要組成部分，同時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]因此實時準確的監測電廠廢氣的排放指標就顯得尤為重要。[2]

從煤電企業的生產實際出發，通過結合物聯網技術、測控技術、嵌入式系統控制、傳感器等關鍵技術，對基于物聯網云平臺的電廠廢氣排放在線監測系統進行研究。[3]對電廠的廢氣排放進行多參數、多節點的監測，突破了傳統監測系統監測參數較少、網關節點較單一、實時性較差、數據利用率低、信息發布平臺維護成本較高、監測過程繁雜等問題。

2 硬件設計研究

系統的硬件設計采用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，從硬件和軟件設計方面均采用相應的措施，確保實現終端的低功耗。數據采集終端采用PM2.5、PM10和SO2傳感器測量排放氣體數據及位置監測。測量數據需要備份，一份用于存儲，一份用于上傳至云平臺。根據電廠排放數據監測的實際需求，設置采集節點和匯聚節點，采集節點完成各個采集終端氣體數據的采集，由信號處理電路進行AD轉換、濾波等處理過程，通過SIM900完成被測數據的短距離傳送。匯聚節點可以看作采集節點的父級節點，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的關鍵部分，要做到采用的模塊功耗盡可能低，同時也要考慮滿足電廠監測系統的各項功能。

節點之間的通信采用nRF24L01單片射頻收發器件，它工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發射時，工作電流只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA。在數據傳輸方面實現相對WiFi距離更遠。

考慮到電廠的實際位置等因素，匯聚節點主要利用4G通信傳輸模塊完成數據的傳送。這是匯聚節點與采集節點在數據傳輸方式上的主要區別。

3 軟件設計研究

數據包經廣域通信模塊直接或間接發送到物聯網云平臺存儲與發布，Linux系統云服務器對數據進行儲存和處理，用web app訪問云平臺數據，實現氣體數據信息查詢。從技術架構上看，物聯網中的感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，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于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。網絡層由互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與電廠及環保部門的需求相結合，設計上位機軟件，設計人性化界面，對監測到的數據進行圖形化的顯示和分析，實現物聯網的智能應用，為電廠及環境監管部門提供準確科學的數據，并可根據需要進行功能擴展。

4 結語

該系統將物聯網技術與測控技術應用于廢氣監測系統，實現了電廠廢氣的有效監控。以STM32為核心處理單元，采用嵌入式方式進行編程，通過氣體傳感器、AD轉換模塊完成NOx、SO2等數據的采集，通過信號處理模塊、無線通信模塊、定位模塊實現數據的處理和傳輸，并在處理器中對數據進行備份，分別用于顯示存儲和發送至云平臺，自行設計上位機軟件實現數據的遠程獲取、分析與處理。系統采用了低功耗芯片及模塊，延長了系統的使用周期。不易發生故障;維護量較小，能夠提供完全的在線操作及實時監測，滿足現代數字化電廠的要求。該系統不僅適用于電廠廢氣監測，還能擴展到其他應用領域的監測系統中。

參考文獻：

[1]王金雷.煙氣在線監測系統在某火電廠的應用[J].化工設計通訊，2018，44，264.

[2]朱永波.煙氣排放連續監測系統在熱電廠的應用分析[J].煉油與化工，2017，28（1）：56-58.

[3]宋亞奇，周國亮，朱永利.云平臺下輸變電設備狀態監測大數據存儲優化與并行處理[J].中國電機工程學報，2015，35（2）.