基于ARM的智能車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

盧愛紅，卓 云，楊佳奇

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)系，蘇州 215009）

0 引言

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測主要依靠人工監(jiān)測，消耗成本高。我國對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測起步較晚，從上世紀(jì)末開始引入國外技術(shù)，但有些技術(shù)并不完全適用于我國的實(shí)際情況。現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測方面取得了階段性的成功，以傳感器、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的相關(guān)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用研究成為研究重點(diǎn)。

目前，我國正處于工業(yè)化進(jìn)程加速發(fā)展的時(shí)期，現(xiàn)行的工作車間對(duì)環(huán)境的要求越發(fā)嚴(yán)苛。為改善不同車間的環(huán)境狀況，針對(duì)各類車間搭建智能化環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。對(duì)于有嚴(yán)格環(huán)境區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)要求的各類特殊制造業(yè)車間，為了有效減少其工作環(huán)境的污染以及設(shè)備出現(xiàn)故障的幾率，各車間的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)皆采用配備空氣凈化儀器以及大型空調(diào)的方案。但是，現(xiàn)有的車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在以下兩方面問題：一是不能廣泛應(yīng)用于不同類型車間、產(chǎn)品適用對(duì)象單一；二是長時(shí)間運(yùn)行各類設(shè)備，導(dǎo)致監(jiān)測成本高、設(shè)備故障率高以及工作效率低。復(fù)雜的車間環(huán)境傳感器組網(wǎng)是亟待解決的問題。在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)一般要具備：自動(dòng)組網(wǎng)功能、穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃阅埽煌瑫r(shí)要適應(yīng)用戶的個(gè)性化環(huán)境定制需求。靈活的組網(wǎng)方式、低成本的控制、低能量的消耗、較高的傳輸安全性是無線傳感網(wǎng)絡(luò)所必須具備的。無線ZigBee 組網(wǎng)因其具有低功耗、連接設(shè)備多、安全性高的特點(diǎn)，獲得了廣泛青睞，能夠很好地適應(yīng)車間環(huán)境的組網(wǎng)定制化需求。智能車間監(jiān)測系統(tǒng)具有方便、安全、智能等特點(diǎn)，對(duì)于改善車間環(huán)境給工人及管理人員帶來安全的工作空間具有十分重要的意義。設(shè)計(jì)一款易用、高效、便捷、智能化、友好的智能車間監(jiān)測系統(tǒng)符合市場需求。智能車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合了最新的傳感網(wǎng)組網(wǎng)、人工智能預(yù)測與遠(yuǎn)程控制的現(xiàn)代信息處理技術(shù)，順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的潮流和趨勢(shì)。

針對(duì)以上情況，創(chuàng)新性地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在智能環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，研究基于無線ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，建立遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控體系，構(gòu)建一個(gè)完善的設(shè)備與環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)，滿足不同車間個(gè)性化需求，從技術(shù)方法以及技術(shù)手段上加強(qiáng)監(jiān)督力度，改善當(dāng)前國內(nèi)中小企業(yè)智能制造車間環(huán)境治理的現(xiàn)狀，大大減少了環(huán)境優(yōu)化所需的人力物力。為研制基于ARM的車間智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)帶來極大便捷。

1 系統(tǒng)要求與整體設(shè)計(jì)

車間智能監(jiān)控系統(tǒng)通過結(jié)合ZigBee 組網(wǎng)方式構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［1］，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的不同車間智能數(shù)據(jù)采集控制的一體化裝置。系統(tǒng)在邏輯上可以分為前端、中段和移動(dòng)終端三部分。前端部分由生產(chǎn)設(shè)備工作參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊、車間環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊、風(fēng)扇、空調(diào)以及空氣凈化器執(zhí)行器等模塊組成。中段是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并與Internet 網(wǎng)絡(luò)通信的功能。后端的移動(dòng)終端控制界面顯示車間環(huán)境、環(huán)境設(shè)備工作狀態(tài)和生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本組成

移動(dòng)終端實(shí)時(shí)采集車間環(huán)境中的傳感器參數(shù)，并在手機(jī)或者pad等移動(dòng)終端顯示主要監(jiān)測因子的監(jiān)測值，并根據(jù)后臺(tái)服務(wù)器對(duì)周期監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，顯示后臺(tái)服務(wù)器對(duì)車間的環(huán)境設(shè)備進(jìn)行控制操作的情況。環(huán)境監(jiān)測5分鐘一次（測試時(shí)用3秒作為一周期）。以管理者身份進(jìn)入管理車間時(shí)，可監(jiān)測車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到車間生產(chǎn)設(shè)備故障，會(huì)做出簡單決策，并及時(shí)通知用戶［2］。

1.1 前端設(shè)計(jì)

前端系統(tǒng)利用溫濕度、光感、PM2.5、煙霧器等傳感器等多樣化的信息感知手段，全面獲取車間所需監(jiān)控的各種原始數(shù)據(jù)。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層采用自主研發(fā)的協(xié)議。車間環(huán)境分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)組成相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)用不同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)區(qū)分，每個(gè)區(qū)域通過協(xié)調(diào)器與智能網(wǎng)關(guān)通信。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)。智能網(wǎng)關(guān)完成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信管理，是傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 網(wǎng)絡(luò)通信的接口，并實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)的通信服務(wù)器的雙向通信。

不同的傳感器節(jié)點(diǎn)檢測車間環(huán)境的狀態(tài)，包括溫度、 濕度、 光照， 以及對(duì)周圍環(huán)境PM2.5、煙塵的測量。

對(duì)于傳感器周圍環(huán)境的檢測，主要涉及以下三點(diǎn)：

（1）溫度/濕度測量。測量終端設(shè)備環(huán)境的溫度和濕度，異常高溫時(shí)報(bào)警，并監(jiān)測設(shè)備對(duì)環(huán)境高濕度的處理能力。

（2）光感測量。測量終端設(shè)備環(huán)境的光強(qiáng)度，監(jiān)測設(shè)備根據(jù)光線自動(dòng)調(diào)節(jié)照明的處理能力。

（3）PM2.5、煙塵測量等。測量終端設(shè)備環(huán)境的粉塵等有害物質(zhì)的濃度，監(jiān)測執(zhí)行器對(duì)粉塵的處理能力。

傳感器設(shè)備控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器設(shè)備控制器系統(tǒng)

其中主控芯片和增強(qiáng)型射頻天線做成一個(gè)模塊，其他部分設(shè)計(jì)成底板，兩者之間通過接口相連，提供了系統(tǒng)的可靠性和通用性。因此，只需要根據(jù)空氣凈化傳感器設(shè)備的不同類型，更換其中的底板部分即可，而RF 通信模塊部分不需要更改。

1.2 中段設(shè)計(jì)

多層次數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)將前端信息感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用分析并根據(jù)用戶使用權(quán)限將其進(jìn)行分層管理，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分層次向具有不同權(quán)限的用戶進(jìn)行發(fā)送，為后端服務(wù)器提供真實(shí)、準(zhǔn)確、大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

為了縮短本系統(tǒng)的開發(fā)周期，將更多精力投入在數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、實(shí)時(shí)傳輸上，在主控器以及終端節(jié)點(diǎn)中使用了輕量級(jí)MQX 操作系統(tǒng)（MQX?Lite）。該操作系統(tǒng)的應(yīng)用，使應(yīng)用層數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)、備份和分析，為后臺(tái)分析數(shù)據(jù)提供了條件。

在系統(tǒng)的中段，需重點(diǎn)解決的問題是：為不同類型數(shù)據(jù)定制不同的傳輸機(jī)制、數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范。

1.3 后端設(shè)計(jì)

搭建一個(gè)云平臺(tái)服務(wù)。服務(wù)器為了能夠滿足各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，其必須滿足以下四個(gè)條件：

（1）具有處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力；

（2）服務(wù)的可持續(xù)性、可擴(kuò)展性以及可靠性；

（3）能夠保障數(shù)據(jù)完整性和隱私安全；

（4）利用云計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的分析與監(jiān)測，提供可靠的數(shù)據(jù)分析，利用云計(jì)算數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)，采用云計(jì)算統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品運(yùn)行過程的故障類型，及時(shí)消除安全隱患，保證車間的財(cái)產(chǎn)安全。

本系統(tǒng)充分分析數(shù)據(jù)共性，進(jìn)行數(shù)據(jù)接口抽象，以便實(shí)現(xiàn)與云計(jì)算平臺(tái)業(yè)務(wù)對(duì)接及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)資源中心。客戶可以通過任何連入Internet 的設(shè)備，方便快捷地控制各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，利用各種圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)基于無線ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的不同車間智能數(shù)據(jù)采集控制的一體化裝置［3］。其中需重點(diǎn)解決并實(shí)現(xiàn)的問題是：使用已有的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的云平臺(tái)服務(wù)，為理論研究及決策提供穩(wěn)定、真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。后臺(tái)服務(wù)器首先尋找出系統(tǒng)符合生產(chǎn)環(huán)境指標(biāo)的區(qū)域，進(jìn)而得出對(duì)應(yīng)工況下的傳感器設(shè)備運(yùn)行參數(shù)值。根據(jù)此參數(shù)，通過內(nèi)置的控制算法使車間智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)逐漸接近最佳運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)整體運(yùn)行符合生產(chǎn)環(huán)境指標(biāo)。

Android 應(yīng)用程序利用Java 語言完成報(bào)警時(shí)間設(shè)定、溫濕度光照?qǐng)?bào)警閾值設(shè)定以及PM2.5報(bào)警閾值設(shè)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人員監(jiān)控及數(shù)據(jù)可視化處理。Android移動(dòng)終端界面如圖3所示［4］。

圖3 管理車間模塊

2 結(jié)語

為改善車間的環(huán)境狀況，智能監(jiān)控車間環(huán)境將是今后中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇［5］。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的水平，將直接關(guān)系到環(huán)境監(jiān)督管理的有效性［6］。

針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備存在靈活性差、噪音強(qiáng)、效率低、模組孤立運(yùn)行、未接入互聯(lián)網(wǎng)等問題，通過研究基于人工智能的智慧車間監(jiān)測環(huán)境優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備與環(huán)境節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)。項(xiàng)目在無線ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用云服務(wù)器對(duì)海量傳感器樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)廠房中的各個(gè)執(zhí)行傳感器給出最優(yōu)的決策判斷，從而實(shí)現(xiàn)加工廠環(huán)境的各個(gè)傳感器自主調(diào)優(yōu)。結(jié)合Android 應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)操作界面可視化以及遠(yuǎn)程操控，為不同車間的工作環(huán)境提供個(gè)性化監(jiān)測系統(tǒng)，為車間工作安全和環(huán)境質(zhì)量提供保障，形成完善的車間環(huán)境智能監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。