龙安化工厂环境监测系统设计应用研究

随着人民生活水平的不断提高，人们对工作环境也提出了越来越高的要求。为了保证工作环境的舒适度，有很多学者对其进行了相关研究。文献[1]基于物联网技术，通过多传感器对室内的温湿度、声环境、光照强度等参数进行监测并预警，设计了基于云平台的环境监测系统。文献[2]运用ESP8266Wi-Fi模块，使用自动组网的方法，实现环境参数在无线传感器网络中的多跳传输，达到监测图书馆环境参数的目的。文献[3]为了避免同信道干扰，将433MHz频段传感器网络和Wi-Fi技术相结合，设计了一款新型的环境监测系统。文献[4]提出了采用预警算法来提高环境监测参数的准确性。但目前针对化工厂的特殊应用环境，市场上暂无完备的环境监测系统，且环境监测的各个仪表数据独立、分散，监测数据收集效率低，监测数据少，缺乏代表性，不便于综合评估工厂环境状况。针对化工厂生产环境对工人的身体健康影响较大的现状，本文介绍的化工厂环境监测系统通过物联网技术，基于RS485/232有线通信以及LoRa无线通信相结合的方式，将化工厂内的氨气浓度、温湿度、声环境等数据存储在MySQL数据库，并进行数据融合，运用B/S架构展示在Web页面上，以此达到提高数据收集的高效性和有效性的目的。

1系统架构

该系统基于物联网基础框架，设计了感知层、网络层、应用层3层结构。感知层中的节点设备通过各种类型的传感器进行声环境、温度以及氨气浓度值的实时监测；网络层通过总线形式收集各传感器数据，并将端系统数据传输至中心节点集中，然后上传至云服务器；应用层运用B/S架构实现数据的远程查看与监控[5]。化工厂环境监测系统架构如图1所示，系统主要由监测节点、控制节点、汇聚节点和云服务器等组成。为了方便化工厂房内部数据的采集，将传统的RS485/232有线通信与LoRa无线通信方式相结合。LoRa无线通信技术是采用跳频扩频的无线通信技术，在信号接收灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速度、抗干扰能力方面均优于现在常用的Sigfox、LTE-M、Zigbee等无线通信技术[6]，可达到远程监控、提高容错率的效果。监测节点位于监测区域内，将采集到的数据通过LoRa网络发送至汇聚节点。汇聚节点使用4G/Wi-Fi接入Internet网络，将数据传送至云服务器，同时控制终端可以查询和设置服务器上的各项参数，以此达到监测的目的。

2系统硬件介绍

本系统选用有线和无线结合方式，监测仪器与数据采集器之间使用RS485/232总线方式连接，数据采集器与数据集中器之间使用远距离无线传输（LoRa）方式连接。数据采集流程如图2所示，高精度固定式氨气检测仪、WBGT热指数监测仪和噪声统计分析仪检测当前车间环境数据，通过RS485/232总线将数据传输至数据采集器后，用LoRa无线连接到数据集中器，最终数据集中器通过4G网络连接到服务器将数据上传至云端。

3软件设计

3.1软件架构

本系统软件设计分为五大层次，包括数据应用层、数据访问层、数据存储层、源数据存储层、数据通信层。（1）数据通信层：分布在化工厂的多个传感器对数据进行实时采样、分析，然后将监测数据封装后等待发送。数据通信层主要将无线传感器网络（WSN）监测站采集到的待发送的质量监测封包数据加载到数据通信服务器上，然后按照指定的归并规则将监测数据进行解包与压缩，最后将合并结果上传到分布式文件系统（HDFS）中进行存储。（2）源数据存储层：源数据存储层主要提供原始监测数据的存储与管理功能，通过将数据存储在HDFS中，不仅保证了数据存储的高可靠性、高可扩展性，还充分利用了HDFS在海量数据上的存储、备份、管理优势。数据的管理主要通过HDFS提供的各类文件操作接口实现具体的文件管理功能。（3）数据存储层：数据存储层是基于关系型数据库MySQL和分布式数据库HBase设计实现。利用关系型数据库MySQL提供的强大SQL查询语言以及数据多维分析能力，实时统计分析与多维展示最近一段时间内的监测数据。（4）数据访问层：数据访问层主要包括基于HBase的数据访问和基于MySQL的数据访问，其中通过HBase的数据访问方式可以访问所有历史时期的监测数据记录，而通过MySQL的数据访问方式只能访问到当前MySQL存储的近期监测数据记录。（5）数据应用层：面向终端用户提供监测数据的查询分析展示功能。数据查询功能根据监测站点、监测起始时间进行监测数据的查询；对采集到的监测数据进行标准化处理、综合计算，得出相应的评价等级。数据对比如图3所示，趋势预测根据积累的监测大数据绘制出各个监测指标的变化趋势图，从中分析环境监测指标的变化趋势，研究变化规律。选择一个或多个监测点、指定历史记录数据的起始时间、一个或多个监测因素进行趋势预测；超标报警功能是对监测数据的特殊情况进行报警提示，其中需要报警的情形包括：监测数据数值超过标准值、监测数据出现较大偏差及逻辑关系出现异常、预测趋势指明异常。如果发现某指标超标则触发报警，并在地图上显示超标位置。同时，可以设置监测时间、报警级别、自动监测站名称，查询报警信息。化工厂布局图如图4所示，地图上红色闪烁标识为报警监测站点，点击监测站点便可了解详细信息。

3.2服务器设计

上位机与中央服务器之间的指令、状态、信息传递通过通信长连接传输，传输完毕后关闭链路，中央服务器的Netty框架在3333端口提供该服务。上位机与中央服务器之间的文件传输通过http协议传输，中央服务器的JfinalJavaWeb服务在8080号端口上提供服务。中央服务器与采集站之间的指令、状态、信息传输利用Netty框架的ChannelHandlerAdapter作为客户端向采集网络的服务器端发送通信长连接请求，可配置采集站的服务器端口号。中央服务器与采集网络之间的数据传输依托于各种硬件接口，使用json协议，涉及文件传输使用文件传输协议（FileTransferProtocol，FTP），中央服务器利用FTP服务发起文件传输请求，采集网络节点的FTP服务在21端口号上提供服务。该系统使用Shiro作为权限管理框架，处理身份认证、授权和加密，同时使用安全套接层（SecureSocketsLayer，SSL）和传输层安全（TransportLayerSecurity，TLS）为用户提供安全的数据访问和网络通信。

4结语

本文针对化工厂环境监测难的问题，设计了一款新型的基于RS485/232有线通信的物联网系统。该系统借鉴传统监测技术，添加了LoRa无线通信功能，为了方便监测，软件服务采用了B/S架构作为设计基础，使得监测到的数据多且具普遍性，同时减少了收集数据过程中的人力、物力投入。