黃風(fēng)光 周 銳 光煥竹

（1.民政部一零一研究所，北京 100070；2.徐州市殯葬管理服務(wù)中心，徐州 221299；3.廣州市民政發(fā)展研究中心，廣州 510940）

隨著國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在迅速地融入各個(gè)行業(yè)，其在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用所帶來(lái)的技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益也越來(lái)越顯著[1]。隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的發(fā)展，4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在我們的生活中廣泛應(yīng)用，并且隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[2]。

火化設(shè)備控制系統(tǒng)作為火葬場(chǎng)火化機(jī)的一個(gè)重要組成，其主要作用有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄和分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制、報(bào)警和預(yù)警、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作等，如實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)燃燒情況、調(diào)節(jié)燃燒參數(shù)及控制安裝于火化設(shè)備上的執(zhí)行器。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，即終端在原有用戶、計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備、服務(wù)器集群的基礎(chǔ)上又加入了智能物品[3]。目前火化設(shè)備裝置的調(diào)節(jié)大多基于PLC 系統(tǒng)的本地按鈕控制，人機(jī)交互實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，不易技術(shù)升級(jí)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火化設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，尤其是基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的火化設(shè)備無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高人機(jī)交互效率和智能化[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

利用ARM 嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的火化設(shè)備遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)—下位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控工作模式和無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建模式。

在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中以連入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)或手機(jī)為控制主機(jī)，并設(shè)計(jì)監(jiān)控界面以供可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)中，通過(guò)在火化設(shè)備上排布各種類型的傳感器，如溫度、壓力、流量計(jì)傳感器等，將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)中集成的無(wú)線傳輸模塊數(shù)據(jù)上傳至控制主機(jī)，控制主機(jī)再通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)再次傳遞給下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，最后由監(jiān)控終端向火化設(shè)備上的執(zhí)行器（如油閥、蝶閥、變頻器等）發(fā)送控制指令。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)的監(jiān)控終端采用嵌入式雙STM32 芯片系統(tǒng)控制板，下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2 下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備點(diǎn)位布設(shè)

2.1 下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端硬件主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集CPU 模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊、RS485 模塊、TF 卡模塊、4G 模塊、4-20mA 電流采樣模塊等模塊組成。系統(tǒng)電路板如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)電路板

2.1.1 數(shù)據(jù)采集CPU模塊

采用STM32F103RBT6作為數(shù)據(jù)采集CPU模塊的主控CPU，其主要功能有：（1）通過(guò)CPU 內(nèi)置的A/D 模塊采集傳感器的模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)UART接口將信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊；（2）接收數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)數(shù)據(jù)，然后將4-20mA/RS485 信號(hào)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸控制CPU模塊

采用STM32F103ZET6作為數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊的主控CPU，該模塊的主要功能有：（1）接收數(shù)據(jù)采集CPU 模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)，然后將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)4G 模塊發(fā)送到服務(wù)器，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡；（2）接收遠(yuǎn)端服務(wù)器通過(guò)4G模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集CPU模塊，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡。

2.1.3 4G模塊

本文中的4G 模塊主要功能有：（1）負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器；（2）接收服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程控制指令，并將控制指令發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸控制CPU模塊的通信端，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸控制CPU 模塊的處理實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 傳感器和執(zhí)行器的布設(shè)與選型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)火化設(shè)備成套裝置的燃燒工況和污染物排放等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，也便于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)火化設(shè)備燃燒過(guò)程中油耗、風(fēng)量及風(fēng)速等參數(shù)，本文針對(duì)火化設(shè)備的特點(diǎn)加裝不同類型傳感器，實(shí)現(xiàn)在火化過(guò)程對(duì)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。執(zhí)行器是在監(jiān)測(cè)過(guò)程根據(jù)火化參數(shù)調(diào)整后實(shí)時(shí)作出反應(yīng)的設(shè)備。本文主要是在火化設(shè)備的主燃室、再燃室和煙囪中布設(shè)變頻鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)，依據(jù)《火葬場(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13801-2015）確定常規(guī)大氣污染物的傳感器類型。具體布設(shè)如圖3所示。

圖3 傳感器和執(zhí)行器點(diǎn)位布設(shè)

確定布設(shè)方案后，針對(duì)火化設(shè)備的特點(diǎn)，本文按照適宜的測(cè)量方法確定了傳感器和執(zhí)行器的選型方案，分別測(cè)量爐溫爐壓、煙氣流速、大氣污染物濃度和氧氣含量等重點(diǎn)參數(shù)，同時(shí)要求采用的變頻風(fēng)機(jī)、蝶閥、油閥支持4-20mA/RS485信號(hào)。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用PHP 及MySQL 技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種基于B/S 的系統(tǒng)構(gòu)架的上位機(jī)軟件[5]，該軟件可以通過(guò)WEB或INTERNET 瀏覽器對(duì)安裝于火化設(shè)備上的執(zhí)行器和傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對(duì)云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。本文所開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件界面直觀、簡(jiǎn)潔，可操作性強(qiáng)。

上位機(jī)軟件架構(gòu)及訪問(wèn)邏輯如圖4 所示。操作人員登錄軟件時(shí)，先要進(jìn)行身份確認(rèn)，普通用戶可以在登錄后進(jìn)行在線設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、信息庫(kù)信息查看等操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控可以對(duì)在線設(shè)備的參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)在線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程模糊或自定義控制。數(shù)據(jù)分析時(shí)，用戶可以通過(guò)選擇設(shè)備查看相應(yīng)設(shè)備的過(guò)往參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在信息庫(kù)部分，用戶可以進(jìn)行設(shè)備人員信息查看及確認(rèn)的操作。管理員用戶不僅可以完成普通用戶的登錄權(quán)限，還可以進(jìn)行設(shè)備操作日常信息查看、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)信息查看管理等操作。

圖4 上位機(jī)軟件架構(gòu)及訪問(wèn)邏輯

4 火化設(shè)備無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的火化設(shè)備無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，并具有良好的監(jiān)控性能。其中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要界面如圖5 所示。操作人員根據(jù)身份選擇管理員或普通用戶登錄方式后，輸入用戶名及對(duì)應(yīng)的密碼信息，點(diǎn)擊登錄按鈕，進(jìn)行登錄確認(rèn)。登錄主界面后用戶可以選擇數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息庫(kù)等操作選項(xiàng)，如圖5.1、5.2 所示。在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面中操作人員可以選擇要監(jiān)測(cè)的設(shè)備及想要監(jiān)測(cè)的參數(shù)，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控參數(shù)選擇。此外，操作人員還可以在遠(yuǎn)程控制部分選擇模糊控制或者自定義控制，從而對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，如圖5.3 所示。當(dāng)操作人員選擇數(shù)據(jù)分析界面，則可對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，如圖5.4所示。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的主要界面

5 結(jié)論

基于ARM 嵌入式技術(shù)低功耗、高性能和靈活性的特點(diǎn)，本文就火葬場(chǎng)火化設(shè)備開(kāi)發(fā)了上位機(jī)-下位機(jī)無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端以各種執(zhí)行器和傳感器作為指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集的單位，采用嵌入式雙STM32 芯片作為系統(tǒng)控制板。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用PHP 及MySQL 技術(shù)，構(gòu)建了一種B/S 的系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)火化設(shè)備的自身特點(diǎn)，對(duì)爐內(nèi)傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行了布設(shè)搭建，以更加全面地監(jiān)測(cè)火化過(guò)程的燃燒情況和控制相關(guān)焚燒參數(shù)。本系統(tǒng)在實(shí)際火化設(shè)備上應(yīng)用切實(shí)可行，對(duì)于推進(jìn)火葬場(chǎng)火化設(shè)備智能化的實(shí)際意義巨大，對(duì)于智能火化設(shè)備的推行具有廣闊的發(fā)展前景。