基于OneNET云平臺(tái)的制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左岐 王碩 杜春寶

摘要：以氫氣作為能源，因其來(lái)源廣、安全環(huán)保、具有高能量密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為最有希望解決能源危機(jī)問(wèn)題的方案之一。利用電解水制取氫，其原理簡(jiǎn)單且成品氫氣純度高，是小規(guī)模制取氫氣的主要方式。本文以STM32單片機(jī)為核心，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制氫設(shè)備設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的功能，并基于WEB應(yīng)用設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備信息。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模塊的穩(wěn)定性，此外系統(tǒng)保留了二次開(kāi)發(fā)功能。

關(guān)鍵字：氫氣 物聯(lián)網(wǎng) 監(jiān)控 Onenet MQTT

1 引言

氫氣的制取具有一定危險(xiǎn)性，在靜電、火花等因素的影響下，暴露在空氣中的氫氣極易發(fā)生爆炸，因此在生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工藝狀況是保證設(shè)備安全生產(chǎn)的重要措施，設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備之間的信息交流變得更為容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，管理人員能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行高效準(zhǔn)確的監(jiān)視與控制。將設(shè)備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控是今后工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，德國(guó)政府在工業(yè)4.0戰(zhàn)略中提出的“智慧工廠”這一概念，其技術(shù)基礎(chǔ)便是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和相關(guān)技術(shù)的成熟，用戶(hù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，能夠更加方便、準(zhǔn)確的對(duì)設(shè)備完成部署任務(wù)和其他相關(guān)操作。將生產(chǎn)制造設(shè)備聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)，管理者可在任意網(wǎng)絡(luò)覆蓋地點(diǎn)完成對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控操作，極大的節(jié)約了人力、物力等資源。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展也為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的方案提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確、安全的技術(shù)保障。

2 制氫系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì)

電解水制氫測(cè)控系統(tǒng)由終端控制板、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、WEB網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)三部分組成，如圖1所示。終端以STM32F407作為主控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、控制和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。最后搭建Web應(yīng)用程序，對(duì)電解過(guò)程的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及處理，通過(guò)前端頁(yè)面對(duì)電解水工藝過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 終端設(shè)計(jì)

電解水制氫測(cè)控系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)為系統(tǒng)核心部分，其硬件部分主要包含最小系統(tǒng)電路、電壓轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)通訊、485/USB通訊、信號(hào)輸入輸出及處理單元。軟件部分對(duì)電解水制氫工藝過(guò)程中壓力、溫度、液位、流量等參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)算法運(yùn)算后對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制以保證設(shè)備安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與觸摸屏、云平臺(tái)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，多家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商均提供物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，平臺(tái)能夠提供開(kāi)發(fā)過(guò)程中具體問(wèn)題的解決方案，是個(gè)人或小規(guī)模團(tuán)體開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要方式之一。對(duì)比不同運(yùn)行商提供的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，中國(guó)移動(dòng)推出的OneNET平臺(tái)，平臺(tái)向開(kāi)發(fā)者免費(fèi)提供服務(wù)，且技術(shù)成熟，產(chǎn)品更新速度快，擁有完備的接入學(xué)習(xí)資料，因此確定使用OneNET平臺(tái)作為本次設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。OneNET平臺(tái)支持多種協(xié)議接入，相互比較后，MQTT協(xié)議具有較小的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，且對(duì)惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠提供一對(duì)多的消息發(fā)布，實(shí)現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者之間的解耦，有效提升數(shù)據(jù)傳送效率，最終確定為本次設(shè)計(jì)所使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

5 網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)

5.1數(shù)據(jù)獲取流程

監(jiān)控單元與服務(wù)器建立鏈接時(shí)，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊向服務(wù)器提供所需接入的注冊(cè)設(shè)備信息，主要內(nèi)容有設(shè)備ID、產(chǎn)品ID以及用戶(hù)自定義的鑒權(quán)信息。跟據(jù)以上鑒別標(biāo)志，平臺(tái)將傳入服務(wù)器的數(shù)據(jù)包保存至指定注冊(cè)設(shè)備。平臺(tái)向外部應(yīng)用提供Rsetful API數(shù)據(jù)接口，Rsetful API是一種符合REST架構(gòu)的應(yīng)用程序編程接口，通過(guò)此接口，用戶(hù)可以完成對(duì)平臺(tái)下注冊(cè)產(chǎn)品設(shè)備的管理，對(duì)已有的設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳與數(shù)據(jù)獲取等操作。數(shù)據(jù)接口支持多種協(xié)議的訪問(wèn)，可根據(jù)平臺(tái)提供的相應(yīng)例程，結(jié)合具體功能需求，向平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送規(guī)定指令，服務(wù)器接收到相應(yīng)指令并確認(rèn)鑒別標(biāo)志無(wú)誤后，會(huì)執(zhí)行與請(qǐng)求內(nèi)容相應(yīng)的操作。當(dāng)用戶(hù)需要從服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)時(shí)，平臺(tái)可與第三方應(yīng)用程序通過(guò)Rsetful API數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)交流，用戶(hù)配置具體的URL定位符，并向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，平臺(tái)接受到指令后，跟據(jù)定位符和請(qǐng)求指令信息搜尋相關(guān)設(shè)備的具體數(shù)據(jù)，查找到相關(guān)數(shù)據(jù)后，會(huì)以特定格式將請(qǐng)求數(shù)據(jù)返回，用戶(hù)可跟據(jù)返回內(nèi)容，獲取所需數(shù)據(jù)。

5.2 獲取數(shù)據(jù)

OneNET平臺(tái)與用戶(hù)第三方應(yīng)用程序間采用通用的HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為獲取上傳至平臺(tái)中的數(shù)據(jù)，可以使用Fiddler抓包工具向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器會(huì)跟據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)設(shè)置的數(shù)據(jù)參數(shù)返回所需數(shù)據(jù)內(nèi)容，HTTP請(qǐng)求方式如圖2所示。其中，定位符URL中的device_id為用戶(hù)在平臺(tái)中定義的具體設(shè)備ID，api-key為設(shè)備對(duì)應(yīng)的API接口驗(yàn)證序號(hào)，平臺(tái)為用戶(hù)提供多種數(shù)據(jù)參數(shù)，可以對(duì)上傳數(shù)據(jù)完成精確定位。

5.3 構(gòu)建應(yīng)用與配置

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)主要分為兩種，一種是客戶(hù)端和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S結(jié)構(gòu)），另一種是瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B/S結(jié)構(gòu)）。由于C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的安裝，雖節(jié)省了通訊的開(kāi)銷(xiāo)，但在靈活性上大大弱于B/S結(jié)構(gòu)。因此，本設(shè)計(jì)應(yīng)用采用基于瀏覽器的B/S結(jié)構(gòu)。OneNET平臺(tái)向開(kāi)發(fā)者提供網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)自身需求，使用開(kāi)發(fā)工具完成對(duì)網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用的快速部署。設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用可向平臺(tái)申請(qǐng)?zhí)峤唬峤或?yàn)證后，會(huì)為其分配一個(gè)指定應(yīng)用地址，訪問(wèn)此地址便能直接對(duì)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)信息完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。平臺(tái)擁有向第三方應(yīng)用推送數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)用戶(hù)配置好與設(shè)備關(guān)聯(lián)的服務(wù)器地址后，一旦檢測(cè)到設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，便會(huì)自動(dòng)推送到應(yīng)用服務(wù)器所在地址，跟據(jù)此項(xiàng)功能，可大大擴(kuò)展平臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。首先跟據(jù)平臺(tái)對(duì)第三方應(yīng)用程序的驗(yàn)證方式完成對(duì)服務(wù)器部分的程序編寫(xiě)，然后使用Tomcat服務(wù)器啟動(dòng)應(yīng)用程序，再利用ngrok將本地應(yīng)用映射到外網(wǎng)，跟據(jù)外網(wǎng)URL配置平臺(tái)第三方應(yīng)用，當(dāng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)第三方應(yīng)用無(wú)誤后，便能實(shí)現(xiàn)利用第三方程序?qū)ζ脚_(tái)服務(wù)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、讀取等操作。

5.4 網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控應(yīng)用

本次網(wǎng)頁(yè)端監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)使用平臺(tái)提供的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括當(dāng)前設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)和近期數(shù)據(jù)歷史曲線，能較為直觀的體現(xiàn)出當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與歷史數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)。網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示如圖3所示。

6 結(jié)論

本文基于電解水制氫工藝，對(duì)工藝流程中各個(gè)關(guān)鍵物理量實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用MQTT協(xié)議在監(jiān)控單元與OneNET平臺(tái)間建立數(shù)據(jù)連接，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)操作。設(shè)計(jì)了相關(guān)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控畫(huà)面，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能全面，具有易擴(kuò)展低成本等特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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