基于云平臺的車間管路氣壓信息化監測系統

白 濤，郝繼升，曹新亮，楊 銳，張向清

（1.延安大學 數學與計算機科學學院，延安 716000；2.延安大學 物理與電子信息學院，延安 716000)

0 引言

氣壓傳動系統因其輸出較大能量、抗過載能力強及惡劣環境適應性強等優點[1，2]，成為工業車間生產過程自動化和機械化的重要方式。然而因氣壓調節閥制造質量、閥門的氣蝕和介質的沖刷以及氣壓調節閥磨損老化等原因極易引發氣體泄漏，造成能量和經濟損失，因而需要人員周期性維護，尤其在大型氣動系統中，管道數眾多，人工管理難度大大增加，浪費大量人力、物力及財力。

氣動系統中氣體泄漏監測難[3～5]主要存在以下幾方面因素。首先因氣壓系統中多數介質為空氣，被認為無需成本且其泄漏不會產生安全問題，因而難以得到重視；其次傳統氣壓系統泄漏監測大多采用人工管理的模式，該監測方式多用排除法，需要人員精確人工監測各個管氣壓狀況以防止氣壓泄漏，在這種模式很難覆蓋到全面，費時費力且存在監測效率低問題；再者現有氣體泄漏監測系統的監測和維護成本較高。目前針對工業危害氣體泄漏監控的測控方面[6～13]已有不少研究，李家琨[14]等研究了氣體泄漏紅外成像檢測技術，介紹了國內外氣體泄漏紅外成像監測系統的關鍵技術；張峰[15]等對有害氣體監測技術與物聯網技術進行了研究，設計一種無線傳感網絡（WSNs）技術的氣體泄漏在線監測系統。程磊[16]等針對危險氣體泄漏定源問題，采用Z字形算法和濃度梯度算法結合無線傳感網絡技術實現泄漏源的快速定位。上述研究對氣體泄漏監控系統做了重要的探索，然而現有氣體泄漏監測難以滿足實際生產車間氣壓傳動的系統監測應用。因此，如何利用信息化手段科學、高效、低成本實現管理車間氣體泄漏以及降低經濟成本，成為管理者亟待解決的問題。

為此，本文以大型氣壓傳動系統為研究對象，針對氣動系統中氣體泄露問題，提出以STC89C52單片機和MPX4115A數字式氣壓傳感器設計終端氣體壓力監測系統，利用ZigBee無線通信網絡技術、云平臺、B/S架構和MySQL數據庫設計氣體壓力信息化監控系統，實現對氣體泄露進行全方位監控。

1 系統總體架構

1.1 功能需求分析

為了實現對氣體泄露的多點實時監控，及時對異常泄露點報警，確保氣動裝置處于良好的運營狀態。首先需要實現管路氣體壓力的智能互聯，構建傳感器網絡節點監測氣動裝置作業時各個管道氣壓數據；其次，建立信息化監測系統，對多點管路氣體壓力進行統一管理；最后，為設備管理改進提供數據依據，監測系統還應具備數據統計分析功能。

因此據上述需求分析，確定系統具體功能如下：

1）數據采集功能：設計壓力系統能采集設備工作壓力參數，并能實時監控各設備的工作狀態；

2）數據監控和管理功能：管理設備的基礎數據，統一管理氣動裝置的多點壓力數據及管理歷史數據等；

3）統計分析功能：匯總系統管路壓力的基礎數據和分析數據。

1.2 系統工作原理及組成

基于云平臺和B/S架構（Browser/Server），應用無線傳感器網絡（WSN）技術，對車間氣動裝置氣體泄漏進行監測，實現對氣體壓力的自動化、網絡化管理。由于ZigBee網絡的自組織性，網絡布置不需要架設網絡設施，適合于多點、密集型負責管路監測場景，因此設計車間管路氣壓信息化監測系統，系統總體架構組成如圖1所示。將系統總體架構分為3部分：數據采集層、數據傳輸層和數據應用層。

圖1 氣體泄露監控系統架構設計

1）數據采集層，由若干個壓力傳感器節點組成，布置在管路連接處負責監測氣壓狀態，獲取異常狀態。

2）數據傳輸層，利用ZigBee自組網、低成本及高可靠性等優點實現管路氣體數據實時傳輸。

3）數據應用層，負責將前端數據動態顯示，提供給用戶各個節點壓力參數實時監控、數據綜合統計分析、基礎數據管理等功能，進而實現對復雜管路壓力遠程監測的統一管理。

系統基本流程：ZigBee網關定時接收由ZigBee終端傳感器節點上發管路壓力數據，由匯聚路由節點轉發至數據庫用于存儲與管理。最終數據應用層采用Vue+Element+UI進行實時頁面顯示。其中，數據庫采用開源MySQL數據庫，WEB服務器采用對php支持且開源的Apache網頁服務器。

2 氣壓信息化監測系統硬件設計

2.1 控制系統框架

監測系統硬件組成統如圖2所示，系統主要網關協議轉換器和終端傳感器節點2部分組成。其中以基于壓力傳感器芯片MPX4115作為氣壓傳感器的終端傳感器節點，負責采集氣動裝置管道中的氣壓模擬量大小，AD轉換后在LCD12864液晶顯示，并通過ZigBee終端節點發送到網關協議轉換器的ZigBee協調器網關。網關協議轉換器負責完成現場ZigBee網絡和WIFI網絡的數據交互。

圖2 硬件系統框圖

2.2 網關協議轉換器設計

網關協議轉換是實現監測管路壓力數據的有力保障，確保系統各個節點壓力數據得到有序統一管理，系統以STM32F103R8T6作為實現ZigBee網絡數據與WIFI網絡數據轉換的中間控制器，其中WIFI網絡采用海凌科電子的UART-ETH-WIFI（串口-以太網-無線網）模塊HLKRM04，基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網及無線網（WIFI）3個接口之間數據的轉換。本次設計采用串口數據（UART）轉無線網（WIFI）功能，電路原理圖如圖3所示。

圖3 網關協議轉換器原理圖

2.3 氣體監測終端系統設計

根據氣體監測終端系統的功能，終端微控制器采用STC89C52單片機，具有8K字節系統可編程Flash存儲器能夠滿足終端系統設計需求。為便于人員觀察和異常報警提示，設計LCD12864和蜂鳴器，終端監測系統原理圖如圖4所示。

圖4 終端監測系統原理圖

氣壓傳感器對于氣體監測終端系統至關重要，選型時需要綜合車間實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數。本設計使用壓電電阻傳感器MPX4115，在0℃～85℃的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補償是-40℃～125℃。氣壓傳感器MPX4115輸出的是模擬電壓，因此，必須進行模擬到數字的轉換才能交由單片機處理，關于A/D轉換，本課題中采用一種電壓頻率轉換電路來實現模擬電壓數字化的處理。針對電路的實際需要設計選用ADC0804是一種分辨率為1/256的單通道A/D轉換芯片。氣體監測電路原理如圖6所示。其中設計讓CS和RD接地，通過控制WR來實現AD轉換。

圖5 氣壓模擬量采集原理圖

已知ADC0804參考電壓為2.56V，考慮到簡化電路，選擇用電阻分壓的形式提供2.5V的電壓。已知輸入電壓最大不可以超過其芯片工作電壓5V，為保證輸出電壓范圍為0～10V狀態下正常運行，設計時其模擬輸入端并一個10K的限流電阻與0.1uF電容，能夠滿足AD采樣的速度要求。

3 氣壓信息化監測系統軟件設計

系統軟件采用B/S架構實現，功能包括各個管路節點壓力數據采集、顯示、統計分析及下載管理等功能。

3.1 協議轉換網關軟件設計

為便于系統實現各路節點壓力信號的采集、無線傳輸以及統一存儲管理。因此協議轉換網關將接收ZigBee無線傳感器網絡的數據轉發至WIFI網絡數據，因協議網關數據通訊是串口通信，設計通信協議如表1所示，數據格式采用小端方式，包括幀頭、源地址、目的地址、功能碼、數據內容、校驗位、幀尾，一幀為8byte。

表1 數據通信協議

其中，幀頭和幀尾，用于定位報文；地址和目的地址，定義數據來源方和接收方，便于多節點數據管理；功能碼標識了通信報文內容類型，包括上傳報文、下發報文和心跳報文等；為了確保傳輸數據正確性，將源地址、目的地址、功能碼及數據內容做CRC-8校驗的結果作為校驗碼內容。

3.2 監測系統軟件設計

系統基于layui的輕量級前端后臺管理框架開發，利用前后端分離的模式進行PC端開發，在服務器端使用 SpringBoot提供統一接口，以ResultfulApi的規范將結果集封裝為JSON數據以供Web端進行Ajax的異步調用。節點壓力顯示部分前端源代碼如圖6所示。

圖6 節點壓力顯示前端源代碼

4 系統功能試驗

4.1 通信功能測試

通過Keil進行程序設計并構建基于Proteus仿真電路進行系統功能測試，驗證系統功能正確性。在按鍵沒有動作之前，設定監測壓力為40kPa，實際監測壓力為37kPa當按鍵K4按下時，氣壓設定值隨之變換，在LCD12864上交替顯示變化結果。如圖7所示為仿真電路各模塊運行狀態。經過仿真驗證，表明氣壓傳感器MPX4115能夠實時采集節點壓力大小，并按照協議向串口ZIGBEE_TX端發送數據。根據仿真實驗表明設計的氣體監測終端系統能準確測量和顯示電壓值，能滿足實際檢測需求。

圖7 基于Proteus仿真電路

4.2 監測系統功能試驗

氣體監控系統的節點壓力數據實時監測界面和報表打印界面如圖8、圖9所示，圖8中了顯示4路節點壓力數據，可根據監測管路節數增加而增加。壓力監控界面結果表明，監控管理系統能接收并成功解析協議轉換網關報文信息，并實時顯示在WEB前端，解析顯示的結果與節點工作狀態一致。

圖8 節點氣壓實時界面

圖9 報表打印界面

5 結語

1）針對管路節點壓力監控的問題，提出基于以ZigBee無線通信網絡、STC89C52及STM32單片機構建氣體終端采集系統，實現無線傳感網絡采集管路壓力信息，完成氣動裝置的管路壓力監測。

2）基于云平臺技術和采用B/S架構，設計了氣壓信息化遠程監測系統，能夠實現管路節點壓力實時運行狀態顯示、統計分析、報表打印等功能。

3）系統功能試驗結果表明，該系統具備一定的通用性，靈活性較強，提高了車間氣體泄漏監測效率，降低了遠程氣壓監測系統的開發和監測成本，且為其他設備的信息化管理下了基礎。