基于物聯網的工業園區智能化監控系統設計

陳嚴

（長江職業學院機電汽車學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

由于工業園區建設進程的不斷加快，工業園區智能化設計成為目前工業園區的主流建設模式。在工業園區運行過程中，考慮到其自身內部結構較為復雜，為保證其能夠安全、穩定運行，針對其進行智能化監控是十分必要的[1]。在我國，以往監控系統的設計中，由于監控得到的數據主要以圖形、視頻的方式存在，在處理、傳輸過程中需要耗費大量的時間，導致其數據傳輸流轉的監控波特率低，并且還會存在監控得到圖形、視頻清晰度低的現象，無法適用于工業園區智能化監控。為此，針對傳統監控系統中存在的問題，對于監控系統的優化開發是具有現實意義的，本文引進物聯網，希望能夠優化設計監控系統提供一定的幫助。物聯網作為一種網絡技術，能夠實現對數據的定位、管理以及通信等功能。基于物聯網能夠在物體與互聯網之間形成有效的連接，遵循通信協議交換信息[2]。物聯網通信功能作為物聯網最主要的功能之一，能夠提高數據之間的通訊效率。基于此，本文將物聯網應用在監控系統設計中，從硬件以及軟件兩部分入手，智能化監控工業園區，致力于從根本上提高該系統的監控波特率。

1 系統軟件設計

1.1 硬件結構組成

本文針對工業園區，設計的監控系統硬件結構中包括：可編程控制器、自動監測傳感器以及同期裝置等。在實際應用過程中，根據應用需要，還可增設相應的可視化主機[3]。系統硬件基本結構示意圖，如圖1所示。

結合圖1所示，為滿足本文系統設計要求的可編程控制器，應當在系統實際的運行過程中保留20%~30%的冗余量。

圖1 系統硬件基本結構示意圖

1.2 可編程邏輯控制器

根據上述硬件結構設計需要，本文選用型號為PLC-NG-Y2588的可編程控制器，具有擴展性廣泛、安全性高、配備USB端口、抗干擾能力強等優勢。基礎指令只需要0.35μs即可完成，計算機接口包括自帶的32個輸入點以及32個輸出點。其中斷觸發方式也可以通過編程的方式進行，既可以在系統當中設置相應的上升沿觸發，又可以設置對應的下降沿觸發。采用順序事件的中斷方式記錄時間，進一步提高本文系統整體的監控精度[4]。本文系統當中的可編程邏輯控制器的控制信號傳輸，采用串行通信技術完成，因此在控制器當中還需要添加CP芯片模塊。本文采用CP4500-18型號的CP芯片。根據本文系統設計要求，選擇4個模擬量輸入輸出擴展模塊，共5個模擬量輸入點。對于系統中的其他設備選型，應當同樣保證其具備綜合自動化能力以及保證測控功能的類型。

1.3 可視化主機

將可編程邏輯控制器處理后的信息上傳至平臺，結合可視化主機的GPS定位位置，顯示工業園區智能化監控結果[5]。為滿足工業園區智能化監控結果顯示高清晰度的需求，本文設計的可視化主機型號為AOC U27U254858，在性能方面屬于4K顯示器，最佳分辨率高達3840x2160，屏幕尺寸為2 7寸，面板類型屬于A H-I P S。通過HDMI2.0(HDR)*2 DP1.4(HDR)*1，實現視頻接口。為滿足在使用過程中對于舒適度的需求，特設底座功能包括：傾斜：-5~23°，垂直旋轉：±90°，高度調整：150mm，左右旋轉：±30°。通過本文設計的可視化主機，能夠滿足工業園區智能化監控數據采集高效顯示需求，響應時間僅需4ms，在色域方面具有00% sRGB(BT.709)覆蓋率(基于CIE1931)，能夠滿足工業園區智能化監控系統中對于圖像細節方面的顯示要求。

2 系統硬件設計

2.1 采集工業園區智能化監控視頻流數據

在系統軟件部分設計中，必須預先采集工業園區智能化監控影像數據。將接收到的視頻投射到虛擬顯示屏上，形成視頻流數據。基于Python集群與Storm集群，其中Python集群負責復雜物理部分，而Storm集群負責邏輯部分，從而將Python集群與Storm集群分開并行，這兩部分集群也可以部署在同一臺機器上。此次將兩部分集群分開部署主要是考慮到了系統的數據采集壓力，進而保證視頻流數據的采集效率。通過Python集群可以將每個工業園區視頻流數據采集任務劃分成多個子任務，并將其分布到平臺網絡各個Name Node節點上，自動獲取經過該節點的工業園區運行視頻流數據，同時儲存到集群中。以此，完成工業園區運行視頻流數據采集。

2.2 基于物聯網傳輸工業園區智能化監控數據

在提取工業園區智能化監控視頻流數據的基礎上，本文運用物聯網技術傳輸視頻流數據。運用物聯網中Controllers點對點的模式傳輸視頻流數據，為數據之間的安全傳輸提供自適應的動態數據傳輸機制。再運用物聯網對分層數據進行交換管理，將得到的分層數據有機整合到一起，以此實現視頻流數據的多步多級傳輸以及斷點傳輸。

2.3 實現工業園區智能化監控

基于物聯網傳輸工業園區智能化監控數據的基礎上，讀取視頻監控數據，首先，利用PLC控制視頻流監控數據的通行通道，將監控點得到的應變值轉化為應力值。設其具體轉換公式為σcd，=如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是工業園區運行波動系數；ε指的是監控點應變值。通過公式（1）計算得出的結果，就是監控的成果。在此基礎上，利用SVDE/SEFV指令讀取監控數據，按照智能化監控狀態字節的表現方式，描述此系統的智能化監控功能；最后，將讀取的監控數據寫入端口數據中，并連接工業園區智能化監控功能至后臺，得到工業園區智能化監控顯示界面，如圖2所示。

通過圖2所示，結合監控數據的實時傳遞情況，傳輸終端數據，并在后臺顯示界面顯示數據信息，實現系統工業園區智能化監控顯示功能，完成系統設計。

圖2 工業園區智能化監控顯示界面

3 實例分析

3.1 實驗準備

構建實例分析，選取某工業園區作為實驗對象。在此次實例分析中，設置監控點數量為3個，本次實驗內容為測試兩種監控系統的監控波特率，監控波特率指的就是監控數據每秒的波形振蕩數，監控波特率數值越高，證明該監控系統的監控效率越高。設置監控實時時間節點為17:50、18:00以及18:10，首先使用本文設計監控系統，智能化監控工業園區，采用Hadoop-1. 0. 3穩定版記錄監控波特率，設其為實驗組；再使用傳統監控系統，智能化監控工業園區，同樣記錄監控波特率，設其為對照組。

3.2 實驗結果分析與結論

整理實驗結果，如下表1所示。

表1 監控波特率對比

通過表1可知，本文設計的監控系統在相同的測試時間中監控波特率明顯高于對照組，監控效率更高，能夠實現智能化高效監控工業園區監控。通過實例分析的方式可以證明，所設計的監控系統具有現實推廣價值。

4 結語

本文通過實例分析的方式，證明了設計監控系統在實際應用中的適用性，以此為依據，證明此次優化設計的必要性。因此，有理由相信通過本文設計，能夠解決傳統工業園區智能化監控中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現為未對本次監控波特率測定結果的精密度與準確度進行檢驗，進一步提高監控波特率測定結果的可信度。這一點，在未來針對此方面的研究中可以加以補足。與此同時，還需要對工業園區的優化設計提出深入研究，以此為提高工業園區的綜合質量提供建議。