基于物聯網技術的液體泄漏遠程監控系統

陳 瑤，王亞剛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于物聯網技術的液體泄漏遠程監控系統

陳 瑤，王亞剛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

設計了一種基于物聯網技術的液體泄漏遠程監控系統，該系統主要由Niagara平臺控制器Jace和基于ZigBee的無線傳感器網絡等構成，并在Niagara平臺上進行設計。用戶可以采用移動設備隨時訪問實時信息，實現液體泄漏的遠程監控，解決了液體泄漏問題不能及時處理所造成的危害。經過仿真模擬，系統能夠及時做出漏液判斷并啟動報警模式，實現了設計目標。

Niagara；液體泄漏；ZigBee；遠程監控

隨著現代社會對設備安全、環境保護的要求日益提高，各方面的安全問題都引起了人們的關注，管道液體泄漏就是其中之一。引起管道液體泄漏的原因多種多樣，包括設備老化、操作不當、缺乏維護等。而漏液僅依靠人工對長達數十甚至幾百米的管道進行檢測，不僅效率低下，且易產生漏檢。針對漏液檢測系統的這些缺陷，本文提出了基于物聯網平臺[1]來布置漏液檢測系統，相比以往基于PLC監控系統，在 Niagara平臺上開發液體泄漏遠程監控系統[2]不僅速度快，易于修改，消耗人力物力少，而且能將數據點介入云端，實現遠程的編程和控制。而ZigBee是一個廣泛應用于工業、軍事的長距離小數據量傳輸協議，其節點可相互作為中繼點將數據傳送至網關。因此，ZigBee無線網絡具有網絡環境穩定，節點越多網絡覆蓋范圍越大而無需額外基站、網關的特點，適合于工業環境的無線應用。

本文首先通過ZigBee無線通信協議，分離了檢測帶以及檢測控制器，使得漏液檢測系統能夠更方便地在復雜的環境中進行布置。使用Niagara平臺連接ZigBee網關，完成ZigBee網絡與互聯網的連接，由此完成物聯網環境的布置。

1 系統相關技術

1.1 物聯網技術

物聯網在1991年被提出，定義為將物體、設備、器件等的信息通過傳感設備連接至互聯網，從而實現智能化管理的網絡。物聯網技術體系主要包括感應層技術，網絡層技術和應用層技術體系[3]。其廣泛應用于各個領域，包括環境檢測、智能交通、智能家居、樓宇控制等[4]。

Niagara作為一個基于Baja標準的平臺，是一種通用的軟件基礎結構，允許用戶通過Internet實時訪問、控制智能設備。它具有面向對象的體系結構，可以通過Web訪問和控制，為用戶提供了一個共享的研發環境。Niagara所提供的這個統一的，具有豐富功能的開放式平臺，可以簡化開發過程，降低開發成本，縮短工作周期。它可以連接各種設備，包括：照明系統、暖通系統、制冷設備、燃油泵燃油罐的監控、熱水加熱系統消防、垃圾回收系統、過濾系統，提高設備連接的集成和互操作能力，為企業提供完整的智能集成平臺，從而實現企業管理系統的一體化。

圖1 Niagara 一般結構圖

1.2 ZigBee無線通信技術

ZigBee技術[5]是一種近距離、復雜度低、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。表1是常見無線通信協議的對比。相較于有線漏液檢測系統而言，無線的信號傳輸方式比較靈活，且ZigBee具有良好的抗干擾性能[6]，使檢測系統可以適應環境需求在一定程度上進行位置變動和添加新的檢測器。

采用 ZigBee 和液體泄漏檢測結合的無線控制系統，無須布設控制線路，各設備之間即可實現自動組網[7]連接，既降低了系統安裝成本，又避免了傳統安裝方式對交通產生干擾所帶來的經濟損失。

表1 常見無線通信協議對比

2 系統設計

2.1 基本原理

本文設計了一個自底層至頂層完整的無線控制系統。主要由Modbus通訊[8]、漏液監控、以及ZigBee無線通信3部分組成。針對不同規模的應用，畫面易于組態實施，其中利用ZigBee網絡的自組網和可擴展特性將分散在空間中的液體泄漏監測驅動組成無線Mesh網絡，通過網關設備集中監控驅動設備，其中每個網關可管理96個驅動設備，網關設備通過Modbus與上層控制器通信?？刂破鲗崿F對整個系統監控管理和數據的匯集，同時提供Web界面[9]，管理人員通過手機、平板電腦等設備訪問。

圖2 系統原理圖

2.2 系統硬件架構

Jace控制器作為一個成熟且功能強大的集成控制器，可以通過自主開發驅動程序與各類系統，實現設備集成。Jace控制器內置有大量的標準協議、第三方驅動程序，具有很強大的擴展性和靈活的通訊方式，可以實現Web瀏覽，且具有強大的后臺軟件平臺和齊全的配置工具，可組成大型網絡。由于Jace可以通過Modbus通訊，設備具有一個RS232接口，一個RS485接口，其中RS485接口作為主要的支持Modbus協議的通訊接口。RS485理論上能夠支持最遠1 200 m距離的傳輸，并且可增加中繼器來增大傳輸距離。

漏液檢測帶，其選擇主要考慮以下特性：靈活性、耐腐蝕性、重復使用率、定位精度高、監測范圍廣[10]。本文選用柳智科技公司的薄膜傳感器(Lk08-T1)，檢測液體類型多為可導電液體。關于薄膜傳感器，它是在PET薄膜上設計薄層印刷電路，具有較快的檢測速度，可替代原有絕大部分傳感器產品，安裝便利、應用范圍廣、價格實惠。

3 系統實現

3.1 系統運行

本系統基于Niagara平臺的Jace控制器，設計實現了漏液檢測模塊和報警[11]模塊，并完成了與Internet的數據交換。漏液檢測信號通過ZigBee無線網絡，匯聚節點信息傳送到Jace控制器，經由OBIX協議直接將液體泄漏的信息傳入云端，在云端對信息進行處理并做出相應的預判，通過智能設備可實時查看。

通過Niagara平臺以及Jace傳感器，將液體泄漏信號傳遞至控制系統以及云平臺，使相關設備、器件盡早得到維修。利用物聯網技術和ZigBee無線通信技術的優勢,對有線傳感器的無線網絡進行布置，通過Niagara與云平臺進行連接，完成了整個系統。

圖3 系統流程圖

3.2 邏輯編程

系統邏輯主要包括布爾報警和E-mail報警兩種模式。布爾報警在物聯網平臺上設計了一個Boolean類型的報警變量。當管道發生液體泄漏時，報警變量值自動跳變為1，否則持續為0。當用戶不在監控界面時，發生液體泄漏后，系統可以通過啟動E-mail報警模式向預先設定的郵箱發送郵件提醒。

圖4 E-mail報警模塊邏輯圖

為節約能源資源，在該系統中加入日程表。假設工作時間為上午9點到下午6點，在上班時間可啟動布爾報警模式直接對液體泄漏進行提醒，下班時間設置E-mail[12]報警模式發送郵件進行提醒。如圖4所示是E-mail報警啟動日程表。

圖5 E-mail報警啟動日程表

3.3 系統界面

在Niagara平臺與云平臺實現通訊之后，系統界面可直接通過手機進行訪問。在系統主界面中，將液體泄漏控制系統作為對象，以傳感器為單位，每個單位分配一個LED燈來反映其報警情況。為方便管理者維護管理整個系統，分別設計了報警模塊，歷史記錄模塊和權限設定模塊。其中，歷史記錄和權限設定模塊由運行在監控[13]中心Web服務器上的一系列配套軟件構成。當監測到液體泄漏時，對應的傳感器會收到報警信號，通過LED和警報鈴聲響應來確定漏液的位置。如圖5所示是模擬傳感器1所代表的管道發生漏液現象，LED燈點亮，并發出警報鈴聲提醒用戶及時處理。

圖6 系統界面圖

4 結束語

本文在液體泄漏檢測的過程中應用了物聯網技術，并且深入分析了使用物聯網技術結合ZigBee無線通信技術的優勢。通過對有線傳感器的無線網絡布置[14]，以及通過Niagara與云平臺進行連接，最終完成了整個系統。Niagara的軟件開發環境直觀可靠、操作簡單。另外，以系統集成為特點，可以通過Niagara平臺對系統做進一步的完善，比如增加LED燈光系統、視覺檢測系統[15]等，從多個角度對液體泄漏進行檢測，提高系統的可靠性。

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Remote Monitoring and Control System for Liquid Leakage Based on the Niagara Platform

CHEN Yao，WANG Yagang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The proposed system consists mainly of Jace controllers based on Niagara platform and the wireless sensor networks based on Zigbee, with the program designed based on Niagara. Users can use mobile devices to access real-time information to achieve remote monitoring of liquid leakage, thus solving the problem that liquid leakage cannot be handled in a timely manner. Simulation indicates that the system makes a timely decision and start the alarm mode.

Niagara; liquid leakage; ZigBee; remote monitoring and control

2016- 06- 23

陳瑤(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：工業控制等。王亞剛(1967-)，男，博士后，教授。研究方向：先進預測控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.040

TP277.2

A

1007-7820(2017)05-147-04