面向化工車間環境的實時監控系統設計

孫成富，李曉晨

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

化工車間作業屬于有限空間作業，由于環境特殊，容易出現各種危險。化工車間的事故與車間中溫濕度、可燃氣體濃度[1]以及電力數據[2]等指標有著密切關系。為了避免化工生產過程中出現事故對人和財務造成損失，必須實時地對車間進行監控。對化工車間環境和電力系統數據進行監測的傳統方法主要是通過管理人員巡視進行現場查看，但是人力檢測既不能實時地獲取化工車間的各項指標，而且每次巡邏周期較長、效率低下，并不能及時發現化工車間存在的問題。本文針對復雜的化工車間環境，通過數據融合的監控系統，實時采集環境數據和電力系統數據，并通過協議網關將基于不同協議的數據實時傳輸到時序數據庫[3]。最后，采用Echarts實現了可視化的數據顯示系統，使管理者能夠實時查看化工車間運行狀態。

1 系統整體架構設計

面向化工車間環境的實時監控系統可以劃分為三層：（1）感知層，實時采集化工車間現場數據，并通過ZigBee和ModBus協議將數據發送到協議網關；（2）協議轉換層，獲取感知層采集的數據，并將感知層協議數據進行重新組合，同時將數據通過MQTT協議傳輸到服務器；（3）應用層，通過MQTT代理服務器接收網關發來的數據，并保存到時序數據庫，以便進行數據處理。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構

2 感知層設計

面對化工車間環境中獲取溫濕度以及煙感的位置較多，想要實現多點獲取數據時，有線系統的布線復雜、傳輸速率慢、實時性差。針對這些問題，本系統將多個ZigBee節點連入無線傳感器網絡，使得數據采集過程中擁有延時短、成本低、結構靈活等特點。由于化工廠房對電氣設備和用電的要求高，需要對電壓和電流進行監測，所以采用ModBus協議的交流多功能通信模塊獲取電力數據。感知層節點主要有兩種類型：基于ZigBee協議的無線感知節點、基于ModBus協議的有線感知節點。

2.1 無線感知節點

ZigBee協議是物聯網感知層的協議之一，它具有近距離、低功耗、低復雜度、成本低以及自組織等特點[4]，其低功耗的特點可以使其在有限能源供應的場合下工作更長的時間。技術人員通過ZigBee協議可以在廠房環境中設置多個節點，并將節點采集的數據實時傳輸到網關設備。本設計中的ZigBee協調器節點與終端節點的硬件電路基本一致，ZigBee硬件電路的主控芯片選用了CC2530，是目前ZigBee應用的主流微控制芯片。

圖2為協調器節點與終端節點。終端節點與溫濕度傳感器以及可燃氣體傳感器相連，協調器通過串口與網關控制器相連。

圖2 ZigBee協調器節點與終端節點

ZigBee網絡有三種拓撲形式：星形、簇樹形和網絡。網絡節點根據其功能分為終端節點、路由器節點和協調器節點。根據實際情況，本設計使用的是星形拓撲結構。在星形結構中，多個終端只能連接到一個協調器，如果終端想要相互通信，必須要通過協調器節點，而協調器節點直接負責終端節點的數據轉發[5]。

2.2 有線感知節點

ModBus協議是MODICON公司開發的一種工業現場總線協議標準，是一種較為常見的有線通信協議，使用串口作為硬件接口。它采用命令答應的通信方式，主機發出請求后，從機將給出應答并返回相應的數據或寄存器狀態信息。從機不能主動向主機發送數據。

ModBus RTU報文幀每8個字節含有兩個4 bit十六進制的字符，因此具有較高的數據流密度。ModBus RTU沒有規定起始和結束標志，需要至少3.5個字符的通信暫停和啟動間隔讀取下一幀。幀模式如圖3所示。

圖3 ModBus報文幀模式

下面是對各數據域的詳細解釋。地址碼：該字節表示用戶設置地址碼對應的從設備將會接收主機發送的信息，主機發送的地址碼表示發送的從機地址，從機發送的地址碼表示返回的從機地址。功能碼：作為傳送的第二個字節，當主機采集數據請求發送時，功能碼告訴從機要執行的具體操作。數據區：根據不同的功能碼而不同。CRC碼是二字節的錯誤檢測碼。

本設計中網關平臺作為主機，發送格式為：

01 04 00 00 00 09 30 0C

從機為多功能通信模塊，收到主機發送的命令之后返回的數據為：

01 04 12 08 98 03 E8 00 00 00 1D 00 00 00 01 00 00 01 F4 00 32 78 F555

其中電壓為十六進制的0x0898，換算為十進制的2 200，表示220.0 V；電流為十六進制數據0x000003E8，換算為十進制1 000，表示為1.000 A。

3 協議轉換層設計

協議轉換層的主要作用是實現對底層設備的數據上傳、數據更新等應用[6]。網關系統可以完成傳感設備數據快速存取，加快事件處理速度，減輕平臺壓力，實現網關對設備的管理。

3.1 協議轉換層硬件設計

網關硬件平臺由WiFi網卡與主處理器兩部分組成，WiFi網卡負責與服務器進行無線通信，主處理器負責協議格式的處理和轉換。網關主控制器使用STM32MP157，該控制器集成Arm Cortex-A7和Cortex-M4兩種內核的異構架構，既通過多核架構提供高性能，還能兼顧低功耗的實時控制。為縮短研發周期，本系統采用華清遠見公司的FS-MP1A，其主要硬件模塊包括4 GB eMMC、512 MB DDR3、4路USB HOST接口以及板載WiFi模組，完全滿足了網關對運算、存儲等性能的需求。

3.2 協議轉換層軟件設計

協議轉換層軟件設計分為三個模塊，分別為串口通信模塊、事件處理模塊以及MQTT通信模塊，如圖4所示。

圖4 協議轉換層組成結構

協議轉換層采用嵌入式Linux系統，該系統具有Linux操作系統強大的網絡功能，并且開發環境友好，能夠快速完成系統的部署[7]。首先，通過串口讀取傳感器設備所采集的各種類型的數據。串口設備也是一種文件，利用文件接口函數，實現數據從感知層到協議轉換層的傳輸。使用open（）函數獲得該串口設備的句柄，然后進行配置。對于不同協議設備，串口設置的波特率也有所不同，在本實驗中兩個串口的波特率均為9 600。完成串口運行參數配置后，通過串口讀寫感知層發來的數據，使用協議解析模塊對化工車間現場數據進行解析。

MQTT協議由IBM公司在1999年提出，又稱消息隊列遙測傳輸協議，它可以運行在TCP協議之上，是基于發布/訂閱模式的即時通信協議。MQTT協議擁有輕量級的特點，用于帶寬較小、設備受限或者網絡不穩定的物聯網網絡中[8]。

采取MQTT異步訪問模式，首先通過MQTTAsync_create 函數創建句柄，用MQTTAsync_setCallbacks 函數設置MQTT通信過程中對相應事件進行響應的回調函數。如若連接失敗，執行回調函數connlost（）；若成功，則執行回調函數messageArrived（）。MQTTAsync_connect（）函數與MQTT服務器連接，連接完成后進行數據處理。用MQTT_sendMessage（）將MQTT消息發送到服務器，讓訂閱者獲取相關消息。最后執行MQTTAsync_destroy函數銷毀句柄，斷開與服務器的連接。由于MQTT協議只實現了傳送消息的格式，并沒有限制用戶數據的格式。在本系統實現中，在MQTT協議之上通過JSON對協議數據進行管理。

4 服務器搭建與客戶端功能實現

4.1 服務器搭建

服務器平臺選用Linux操作系統，服務器平臺包括MQTT代理服務器和時序數據庫。其中MQTT代理服務器作為消息中間件轉發消息。MQTT消息服務器選擇EMQX代理服務器，EMQX服務器是一款高可用的分布式MQTT消息服務器軟件，其支持最新的MQTT5協議規范，并向下兼容。EMQX服務器支持集群和高并發技術，具有優秀的并發處理能力以及通信支持能力[9]，能夠使設備之間的通信簡單化，所以非常適合物聯網的信息傳遞。時序數據庫TDengine部署于服務器的存儲空間中，用于保存監控系統采集的歷史數據。EMQX服務器提供了規則引擎[5]功能，該功能可以結合開源時序數據庫TDengine的RESTful API完成數據的入庫。

4.2 后臺可視化實現

后臺可視化界面基于springboot框架進行編寫，利用JAVA數據庫連接接口（JDBC），連接時序數據庫TDengine管理數據，最后使用Echarts框架實現數據的可視化。

當后臺監控系統啟動后，會讀取數據庫中的數據，然后每隔1 s刷新可視化界面。但頻繁加載整個頁面會增加用戶等待時間，影響用戶體驗。由于Ajax技術可以使網頁在不重新加載整個頁面的前提下，有選擇性地更新部分內容[10]。因此采用Ajax通過異步回調函數獲取數據，從而實現網頁的局部刷新，Web客戶端首先會向服務器發送異步請求，將獲取到的數據以JSON格式進行傳輸，最后使用處理后的數據對Echarts圖表進行初始化，異步刷新流程如圖5所示。如果無法請求到數據庫中的數據，就會執行請求失敗函數，網頁會跳出提示框。

圖5 Ajax異步刷新流程

5 結果分析

首先組建好相應的硬件模塊，如ZigBee終端和傳感器的連接、ZigBee協調器與網關的串口連接，以及將交流電通信模塊與網關串口相連等。在服務器端啟動EMQX服務器以及TDengine數據庫后，通過EMQX代理服務器所對應的1883端口可查看MQTT消息是否發送成功。在客戶端的Web端輸入服務器的IP地址后可以實時查看相關信息。進入系統后，可視化界面一共分為5個模塊，分別是電壓監控模塊、電流監控模塊、溫度監控模塊、濕度監控模塊和煙霧監控模塊。

電壓監控模塊如圖6所示，電壓表設計的縱坐標為電壓測量范圍-300～300 V。如果在-250～250 V的區間范圍內，則電壓正常，電壓數據顯示綠色的折線；如果在小于-250 V或者大于250 V的區間內，則異常。電流監控模塊圖表設計與電壓設計基本類似，電流測量范圍為-100～100 A，設定-63～63 A之間為正常電流范圍。

圖6 電壓監控模塊

溫度監控模塊圖表使用的是散點圖。溫度測量范圍為0～50 ℃，如果是在15～30 ℃的區間范圍內，則溫度正常。當溫度異常時，散點為紅色，顯示情況如圖7所示。濕度監測數據圖表設計與溫度基本類似，濕度測量范圍為0%～80%，設定30%～60%之間為正常濕度范圍。

圖7 溫度監控模塊

煙感監控模塊圖表使用的是柱狀圖。如圖8所示，其中煙感測量范圍為0～70 obs/m，如果在20～45 obs/m的區間范圍內，則煙感正常。如果超出范圍，為異常。

圖8 煙感監控模塊

6 結 語

本文為了能夠實時監控化工車間各環境指標，從而保證化工安全生產，設計了一個基于多協議網卡的化工車間實時監控系統，將ZigBee協議和ModBus協議轉換為MQTT協議發送至服務器，同時對數據進行持久化操作，并存入時序數據庫。同時設計了可視化界面實時異步調用數據，并動態顯示出來。本系統解決了物聯網在不同通信方式、不同的通信協議環境下的模塊對接問題，提高了化工車間環境數據監測的效率。經過測試，系統與服務器連接正常，系統運行正常、穩定。