基于物聯網的工業現場危險氣體監測系統

莫然　張進

摘 要：在計算機技術、互聯網及移動通信網絡的相繼發展之后，物聯網這個的概念在推出以來就在世界各行各業中進行大力推廣應用，目前已被公認為當今世界信息產業革命的第3次浪潮。工業為我國的重大產業鏈之一，目前在我國經濟發展中占有重要的地位。我國在工業中不斷引進物聯網等新技術，全面的推進我國工業信息化建設的前進步伐。物聯網通過RFID、傳感器網絡以及數據挖掘等新型技術的應用，依靠移動網絡、無線傳感器網絡等，再通過傳感器采集到的底層工業現場的環境信息數據，最終形成一個帶有智能感知作用、具有遠程控制功能的無線實時監控系統。本文以工業現場危險氣體監測為背景，建立危險氣體濃度的無線信息數據采集監測的系統。

關鍵詞：物聯網；無線；采集；監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.033

1 物聯網發展

隨著近年來物聯網技術的不斷發展，現代物聯網在不同行業中的廣泛應用也不斷擴大。在2012年中，上海建立了物聯網的智能家居——“上海體驗中心”，很明確的體現出當今物聯網在社會智能家居廣泛的應用；隨后北京交通大學將物聯網運用在智能交通的設備上應用；同時物聯網設備在當前工業現場的應用中也逐漸突顯出來，其優點也比傳統的現場總線多了許多。

物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）是在計算機、互聯網、以及移動通信網絡以后又一次的產業革命。在十一五期間，物聯網正式被列入國家重點發展的戰略性新興產業。物聯網的定義是由紅外傳感器、射頻識別、全球的定位和各種傳感器設備等信息傳感的設備，遵循某種定義通訊的協議，將一些需要的物體與Internet連接，之后進行網絡信息之間的交互與通信等事件，就可實現這些物體智能的感知、監控、定位、跟蹤和管理的獨特網絡。物聯網在新一代的信息技術充分的運用到各種行業中，例如能源、交通、建筑、市政、家庭等，并且將現有的通信網絡與之結合，實現了智能互聯網的世界。人們能以更精細和更智能的方法來管理生活及生產，以實現“智慧”的狀態，來提高資源的利用率以及生產力的水平，還可以改善人與自然之間的關系[1]。

隨著計算技術、微電子技術和無線通信技術等技術的發展，也帶動了多功能的傳感器快速的發展，能使模塊在很小范圍內可做到集成化的信息數據采集、信息數據處理和無線的通信等多種功能。無線傳感器網絡（WSN）是在監控區域由大量傳感器模塊組成的節點網絡，以無線的方式形成多節點的網絡系統，它的目的是多點協作感知、數據采集和處理當前網絡覆蓋的區域內節點對象的數據信息，且將數據信息通過網絡發送給監控中心。傳感器的節點、感知的對象以及監測中心組成無線傳感器網絡的三要素[2]。

2 危險氣體物聯網構建

無線傳感器組成的網絡由于擁有成本低、自組織、搭建靈活等優點，使得其在民用、軍事等方面領域的應用廣泛，是當今IT主要研究的領域方面。但是某些傳感器的節點自身其硬件的條件卻限制傳感器網絡的開發利用，尤其當傳感器的節點的供電電池容量不大，而且輸送范圍較短。因此，為使傳感器網絡發展的得以繼續，如何有效的運用傳感器系統低容量的電量，是設計物聯網協議必須加入的一個重要的因素。通過不同產品分析，這些數據的傳輸消耗電量占有著總電量損耗的一大部分。因此，低能耗的傳輸協議系統的設計成為目前無線傳感器網絡進行深入研究其中一個重點問題。無線傳感器的網絡當前有3種數據的傳輸方式：第一種是傳感器節之點間數據的傳輸，第二種是在基站到傳感器節點之間的數據的傳輸，第三種就則是在傳感器的節點到基站之間數據的傳輸[3]。

本文主要是為工業現場設計，以危險氣體監測設備為目標對象，設計且完成符合危險氣體濃度的真實情況的、擁有物聯網特征的智能氣體監測設備。它通過以每個氣體監測模塊為傳感器的節點，把整個工業現場為劃分成若干個小型的傳感器網絡。將采集的節點信息數據通過每個傳感器網絡的網絡端口進行匯聚，再被傳送至Internet中，接著傳給云計算的平臺進行信息數據中轉活動，最后將其上傳至用戶的終端。用戶也可通過Internet網絡對監測模塊進行設置或標定。這當中的網關主要作用是用來連接傳感網絡及其他類型的公共網絡，再進行協議的轉換以及數據匯聚，可以起到一個連接的作用。大數據云計算平臺是目前一種互聯網的相關服務延伸及拓展，它通過互聯網所需獲取資源信息的一個信息化服務中心平臺，這個平臺相當于一個遠程的數據處理服務中心，能夠將采集的數據不斷的存儲，若用戶需要查看氣體監測模塊工作狀態或者采集數據時，能夠直接向云計算的平臺發送命令進而可以信息提取的活動。通過此信息網絡的服務，用戶能夠更加方便快捷有效的對所在生產進行實時的管理及監控，進而大大提高企業生產效率并且節省生產成本。本文主要是對氣體監測傳感器節點的研究與設計，通過目前成熟的技術方式將氣體監測設備組成為物聯網的一個數據終端。

3 基于物聯網的工業現場危險氣體監測系統的實現

面向物聯網的工業現場危險氣體監測系統不僅具有傳統模塊的測量采集功能，還需要具備物聯網的特征，要求其能夠接入Internet或者局域網。故硬件設計是能夠實現工業現場危險氣體監測系統的基礎。監測系統的硬件結構包括AD采集模塊、危險氣體傳感器、GPRS網關模塊、ZigBee通訊模塊、存儲模塊、4～20mA電流輸出的模塊以及按鍵顯示的模塊等構成。

本監測系統減少了電纜的使用，降低了整套設備的生產成本，同時保障安全性和可靠性。在系統硬件設計方面，選用Stm32f103ZET6單片機，功耗低至3W，直流電源選用開關型的集成芯片穩壓電路，相比傳統的線性集成芯片的穩壓電路，當壓差越大，開關型集成芯片穩壓電路其轉換效率就會越高，使功耗大大降低；在系統軟件設計方面，增加初始化程序，以防止系統程序跑分。數據處理采用BP補償的算法，以實現非線性補償的調整，使系統精度大大提高。最后通過不同的測試，對采集數據的查詢和危險氣體監測模塊的標定全部都可以用無線網關進行配置，達到了設計要求和目的。

參考文獻：

[1]楊慶柏，郭永樹.智能變送器特點及其應用[J].東北電力技術，1998（09）：42—44.

[2]方原柏.變送器更精確、更穩定、更安全[J].控制工程中文版，2005（04）：36-39.

[3]崔淑琴.智能壓力傳感器的研究與設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2005.

作者簡介：莫然（1992-），男，遼寧沈陽人，碩士，研究方向：智能控制。