楊嘉嘉,路 晶
(中國民用航空飛行學(xué)院,四川 德陽 618000)
全球范圍內(nèi)大氣污染日趨嚴(yán)重,已經(jīng)嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡,甚至開始危及人類的生存。大氣污染對人體健康、工農(nóng)業(yè)、氣候環(huán)境的消極影響已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。其中,化學(xué)工業(yè)是排放大氣污染物非常嚴(yán)重的領(lǐng)域之一,必須進(jìn)行嚴(yán)格控制和徹底治理。因此,在生產(chǎn)過程中,必須考慮控制污染源,加強(qiáng)工廠可燃?xì)怏w濃度檢測,才能科學(xué)地優(yōu)化工藝,合理地加大環(huán)保投資。
我國城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展使得能源消耗迅速增大,經(jīng)濟(jì)與環(huán)境問題的沖突也日趨尖銳。我國化工廠多且分布廣,且化工廠環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測預(yù)警設(shè)備不完善[1]等,化工廠爆炸性事故時(shí)有發(fā)生。近年來,在國家統(tǒng)籌推進(jìn)的“五位一體”的總體布局指導(dǎo)下,在發(fā)展化工產(chǎn)業(yè)市場地位的同時(shí)也更加注重生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展以及重工業(yè)產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型,還圍繞化工行業(yè)環(huán)保發(fā)展領(lǐng)域頒發(fā)了一系列重要的政策和法規(guī)。國家加大科技研發(fā)投入,鼓勵(lì)智能制造行業(yè)的發(fā)展,許多智慧監(jiān)測、云計(jì)算等技術(shù)結(jié)合型企業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展更加趨向形成基于標(biāo)準(zhǔn)化綠色數(shù)據(jù)的可持續(xù)綠色生產(chǎn)方式,構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系[2],建立產(chǎn)、學(xué)、研合作平臺(tái)[3]。
智能化工廠是智能化工業(yè)的一個(gè)典型場景映射。本文設(shè)計(jì)的智能化工廠可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)由Hi3861開發(fā)板、華為云ECS彈性服務(wù)器、鴻蒙系統(tǒng)設(shè)備三大模塊組成,主要實(shí)現(xiàn)了工廠多場景可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測實(shí)時(shí)性的提高、對危險(xiǎn)情況的報(bào)警和場景信號(hào)燈的控制,這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在災(zāi)害預(yù)防方面的具體應(yīng)用。
根據(jù)智慧化工園區(qū)的設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)主要由Hi3861芯片、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器、蜂鳴器、MQTT傳輸協(xié)議、鴻蒙系統(tǒng)終端設(shè)備等部分組成。鴻蒙系統(tǒng)設(shè)備終端通過MQTT傳輸協(xié)議與Hi3861開發(fā)板連接,實(shí)現(xiàn)對工廠內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。用戶的設(shè)備終端在聯(lián)網(wǎng)情況下持續(xù)刷新顯示場景參數(shù)并且可以對場景內(nèi)各執(zhí)行器進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
Hi3861 WLAN模組是一款高度集成的2.4 GHz WLAN SoC芯 片, 集 成IEEE 802.11b/g/n基 帶 和RF(Radio Frequency)電路,支持Open Harmony,并配套提供開放、易用的開發(fā)和調(diào)試運(yùn)行環(huán)境。Hi3861 WLAN模組可以通過與Hi3861底板連接,擴(kuò)充自身的外設(shè)能力。Hi3861芯片集成高性能32 bit微處理器、硬件安全引擎以及豐富的外設(shè)接口,外設(shè)接口包括 SPI(Synchronous Peripheral Interface)、UART(Universal Asynchronous Receiver & Transmitter)、I2C(The Inter Integrated Circuit)、PWM(Pulse Width Modulation)、GPIO(General Purpose Input/Output) 等 ;芯片內(nèi)置SRAM(Static Random Access Memory)和FLASH,可獨(dú)立運(yùn)行,并支持在FLASH上運(yùn)行程序。Hi3861芯片適用于智能家電等物聯(lián)網(wǎng)智能終端領(lǐng)域。本文的智能化工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的Hi3861開發(fā)模組設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 Hi3861開發(fā)板模組
本系統(tǒng)所選模塊都屬于工業(yè)級(jí)傳感器,具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、使用壽命長、響應(yīng)恢復(fù)快速等優(yōu)點(diǎn)[4],主要包括溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器。采用傳感器測量工廠內(nèi)主要環(huán)境參數(shù)。具體型號(hào)見表 1 所列。
表1 傳感器型號(hào)一覽表
終端模塊分別依靠AHT20溫濕度傳感器和MQ-2可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、解析和傳輸。在監(jiān)測系統(tǒng)中,可燃?xì)怏w傳感器型號(hào)為半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器MQ-2,它是一款對丙烷、煙霧的靈敏度高、對天然氣和其他可燃蒸氣的檢測也很理想的氣體傳感器,檢測濃度為300~10 000 ppm,控制方式是Hi3861通過J7接口ADC引腳上報(bào)檢測結(jié)果。AHT20溫濕度傳感器的的測量范圍為-40~80 ℃(溫度誤差為±0.3%),濕度區(qū)間為0%~80%RH(相對濕度誤差為±2%RH),其中Hi3861通過J7接口SCL引腳、SDA引腳以I2C接口方式訪問該傳感器,GPIO13連接SDA引腳,GPIO14連接SCL引腳。傳感器模組如圖3所示。
圖3 傳感器模組
根據(jù)系統(tǒng)的主要功能和硬件結(jié)構(gòu),該智能化工廠可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括MQTT模塊程序設(shè)計(jì)、智能終端APP程序設(shè)計(jì)兩部分。在同一無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)下,MQTT協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)與智能終端APP進(jìn)行信息交換。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)是一種“輕量級(jí)”協(xié)議,它基于發(fā)布和訂閱的通信模式,可以一對多地傳輸數(shù)據(jù),適合鴻蒙系統(tǒng)分布式的特點(diǎn)。MQTT同時(shí)基于客戶端-服務(wù)器端模式,構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上,可以很大程度地解除應(yīng)用程序耦合。MQTT會(huì)構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)傳輸,即在客戶端和服務(wù)器之間建立有序、無損、基于字節(jié)流的雙向傳輸通道。MQTT的優(yōu)點(diǎn)如下:利用極少量的代碼配合有限的帶寬連接遠(yuǎn)程設(shè)備,并為其面對面提供可靠、實(shí)時(shí)的服務(wù)。MQTT低開銷、低帶寬占用的優(yōu)勢,使其在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和移動(dòng)應(yīng)用等方面獲得廣泛關(guān)注,尤其在分布式系統(tǒng)方面的應(yīng)用更為廣泛。
實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議由客戶端和服務(wù)器端通信共同完成,在通信過程中MQTT協(xié)議中有發(fā)布者、代理(服務(wù)器)、訂閱者三種身份。其中,客戶端由消息的發(fā)布者和訂閱者組成,其中消息發(fā)布者也可以是訂閱者,而消息代理充當(dāng)服務(wù)器的角色。在應(yīng)用數(shù)據(jù)通過MQTT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的過程中MQTT會(huì)把與之相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和主題名(Topic)相關(guān)聯(lián),具有較強(qiáng)的通信能力、處理能力和發(fā)送能力,能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端[5]。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。
圖4 MQTT實(shí)現(xiàn)方式
本文中化工廠可燃?xì)怏w監(jiān)測APP系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測、通信傳輸、遠(yuǎn)程控制三個(gè)模塊組成。開發(fā)板的主控芯片可作為發(fā)布方客戶端或接收方客戶端與MQTT服務(wù)器相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和對執(zhí)行器件的控制。隨著移動(dòng)端系統(tǒng)的不斷升級(jí)優(yōu)化,前端開發(fā)變得方便、簡單,控件形式也變得多種多樣[6]。此系統(tǒng)APP設(shè)計(jì)主要由DevEco Studio實(shí)現(xiàn),可應(yīng)用于手機(jī)、手表、掌上電腦等設(shè)備。
3.3.1 登錄界面設(shè)計(jì)
APP登錄界面設(shè)計(jì)涉及三部分代碼,分別是JAVA源代碼、資源文件和系統(tǒng)文件。JAVA源代碼確定了APP登錄界面不同控件的主要功能的實(shí)現(xiàn)辦法,資源文件負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)布局、元素樣式的設(shè)計(jì),而系統(tǒng)文件則包括了基礎(chǔ)的配置、識(shí)別界面中的組件。該系統(tǒng)的登錄界面構(gòu)成如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)登錄界面構(gòu)成
3.3.2 主控界面設(shè)計(jì)
根據(jù)智能化工可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求,主控界面主要由環(huán)境監(jiān)測、通信傳輸、遠(yuǎn)程控制三個(gè)模塊組成。用戶通過創(chuàng)建好的賬號(hào)和密碼登錄后,登錄界面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到主控界面,界面上可以控制通道信號(hào)燈、排風(fēng)扇狀態(tài)等。主控界面流程如圖6所示。
圖6 主控界面流程
后臺(tái)在登錄界面中設(shè)置事件偵聽器監(jiān)聽按鈕事件,并且增添滑動(dòng)分頁功能,使得該用戶能夠使用該APP同時(shí)監(jiān)測相同類型的多個(gè)場景,可以通過手機(jī)/手表或者OLED屏幕手動(dòng)控制相應(yīng)單元工作,實(shí)現(xiàn)人性化不定時(shí)工作[7],且一旦按鈕事件發(fā)生,通過意圖組件實(shí)現(xiàn)附加功能。
智能化工廠可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)搭建完成后,系統(tǒng)整體均可正常運(yùn)行,功能實(shí)現(xiàn)與預(yù)期一致。若后續(xù)在調(diào)試過程中出現(xiàn)問題,則繼續(xù)完善和改進(jìn)。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后,所有硬件正常工作。點(diǎn)擊屏幕圖標(biāo),運(yùn)行APP,顯示登錄界面,如圖7所示,輸入賬號(hào)和密碼,登錄進(jìn)入功能界面。
圖7 登錄界面
如圖8所示,通過MQTT實(shí)時(shí)發(fā)布和接收采集的環(huán)境信息,可以在手機(jī)APP相應(yīng)界面中刷新顯示,左右滑動(dòng)頁面可查看多個(gè)場景的環(huán)境參數(shù)。在界面底部點(diǎn)擊報(bào)警器、信號(hào)燈等按鈕,可以更直觀、便捷地根據(jù)實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)做出決策,控制執(zhí)行設(shè)備,改變設(shè)備狀態(tài),同樣執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)也會(huì)實(shí)時(shí)顯示。
圖8 功能界面
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是由Hi3861芯片、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器、蜂鳴器、MQTT傳輸協(xié)議、鴻蒙系統(tǒng)終端設(shè)備等部分組成?;緦?shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo),如對終端各類參數(shù)的采集與發(fā)送、異常數(shù)據(jù)報(bào)警和智能處理、手機(jī)終端隨時(shí)隨地查看等功能[8]。但本系統(tǒng)還存在值得改進(jìn)的地方,比如:Hi3861芯片屬于L0級(jí)別的輕量系統(tǒng)級(jí)芯片,不適合大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)傳送;智能設(shè)備終端APP功能還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、消息推送等功能優(yōu)化。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和鴻蒙系統(tǒng)的發(fā)展,除了實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集與傳輸,并將溫濕度自動(dòng)化監(jiān)控與預(yù)警應(yīng)用[9]到該化工廠場景中,本系統(tǒng)還可以基于用戶的使用習(xí)慣實(shí)現(xiàn)部分個(gè)性化功能以及用于多數(shù)有需要的場景,例如適應(yīng)不同分辨率的終端設(shè)備、監(jiān)控園區(qū)的不同分區(qū)等。系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的可視化智能監(jiān)測[10],與云計(jì)算、人工智能等技術(shù)相結(jié)合,打造更加全面的智能化工業(yè)體系,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益最優(yōu)化。