宋永生

摘要：隨著各地化工園區(qū)的興建，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)迫在眉睫。LoRa功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多、抗干擾能力強(qiáng)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用LoRa構(gòu)建園區(qū)地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)，結(jié)合無(wú)人機(jī)掛載的4G移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成園區(qū)立體式監(jiān)測(cè)網(wǎng)，有利于提高空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：化工園區(qū)；空氣質(zhì)量；LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；4G

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0255-0c

Abstract： With the construction of chemical industrial parks and the increasing environmental risks， the monitoring of air quality in the park is imminent. LoRa is widely used in the field of Internet of Things because of its low power consumption， long transmission distance， many networking nodes and strong anti-interference ability. Using LoRa to construct the park ground monitoring network and combining with the 4G mobile monitoring equipment mounted by UAV， the park three-dimensional monitoring network is formed， which is beneficial to improve the accuracy of air quality monitoring.

Key words： Chemical Industry Park；Air quality；LoRa；Internet of things；4G

隨著工業(yè)化的推進(jìn)，各地化工園區(qū)如雨后春筍般紛紛興起?；@區(qū)內(nèi)的原材料及產(chǎn)品很多涉及危化品，種類多數(shù)量大。不少化學(xué)品具有毒性且不穩(wěn)定，相互之間還可能發(fā)生反應(yīng)，這些化學(xué)品一旦泄露，將會(huì)給園區(qū)空氣造成不同程度的污染。個(gè)別不法企業(yè)還會(huì)偷偷排放不達(dá)標(biāo)的廢氣，化工園區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)迫在眉睫。

電信運(yùn)營(yíng)商的2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，但基于蜂窩通信技術(shù)的M2M功耗大、成本高。為滿足遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求，產(chǎn)生了低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)。 LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是蜂窩M2M連接的有效補(bǔ)充方案[1]。LPWAN可分為兩類：一類是以NB-IoT為代表的工作于授權(quán)頻段的技術(shù)，另一類是以LoRa為代表的工作于免費(fèi)頻段的技術(shù)。

NB-IOT是由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一部署網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行收費(fèi)的方式運(yùn)營(yíng)。NB-IOT支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接，支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。LoRa在免費(fèi)頻段運(yùn)行，用戶可以自行組網(wǎng)，提供一種能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多的傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa信號(hào)對(duì)建筑的穿透力強(qiáng)，搭載LoRa模塊的終端可以部署在方圓幾公里內(nèi)的任意地方，使用電池供電，維護(hù)成本低，適合在化工園區(qū)部署。

本文嘗試將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到化工園區(qū)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中去，LoRa網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)地面固定監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸，4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)掛載的移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成化工園區(qū)立體的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，有利于提高化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)終端主要負(fù)責(zé)空氣質(zhì)量各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)及執(zhí)行指令；監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)主要包含終端接入模塊、終端解析模塊、分析報(bào)警模塊、終端可視化模塊和反向控制模塊；監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)相連。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 相關(guān)技術(shù)模塊

2.1固定監(jiān)測(cè)終端

固定監(jiān)測(cè)終端包含傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信模塊，如圖2所示。傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器利用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。由于不同化工企業(yè)產(chǎn)生的氣體不盡相同，所以不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體傳感器的選擇也不同?？刂破魍ㄟ^(guò)執(zhí)行器完成指令動(dòng)作?；@區(qū)空氣質(zhì)量固定監(jiān)測(cè)終端的常用傳感器有PM2.5傳感器、Cl2傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、H2S傳感器及CO傳感器等，常用的執(zhí)行器有揚(yáng)聲器、LED燈及滅火器等。

固定監(jiān)測(cè)終端的控制器選用TPYBoard V102開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板的核心是STM32F405單片機(jī)，TPYBoard支持MicroPython編程。MicroPython是Python 3語(yǔ)言的精簡(jiǎn)高效實(shí)現(xiàn)，擁有自己的解析器、編譯器、虛擬機(jī)和類庫(kù)等?；@區(qū)內(nèi)的固定監(jiān)測(cè)終端通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)通信，通信模塊選用E32-TTL-100，它是一款基于SEMTECH公司SX1278射頻芯片的無(wú)線串口模塊[2]，采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，TTL電平輸出。固定監(jiān)測(cè)終端安裝方便，無(wú)須布線，能夠在監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)上對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行管理。

2.2 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)LoRa局域網(wǎng)的組建和維護(hù)，局域網(wǎng)和外網(wǎng)的消息轉(zhuǎn)發(fā)，終端設(shè)備的管理等。網(wǎng)關(guān)的主控芯片選用樹(shù)莓派，它有一個(gè)完整的ARM處理器，軟件資源豐富，運(yùn)行穩(wěn)定。樹(shù)莓派沒(méi)有Flash芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于TF卡中，默認(rèn)操作系統(tǒng)是Raspbian。樹(shù)莓派上可以利用Python、C、C++、Java或匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程[3]，安裝SQLite用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)是固定監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)之間信息轉(zhuǎn)換的通信樞紐，通過(guò)4G與監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)通信，通過(guò)LoRa與固定監(jiān)測(cè)終端通信。LoRa通信模塊選用集成度更高、信道數(shù)更多的SX1301芯片[4]，如果終端較少，也可以用SX1278芯片，樹(shù)莓派通過(guò)串口與之連接。

網(wǎng)關(guān)接收固定監(jiān)測(cè)終端通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的JSON格式的數(shù)據(jù)，解析這些數(shù)據(jù)并根據(jù)解析結(jié)果采取相應(yīng)的策略，如轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。固定監(jiān)測(cè)終端在安裝時(shí)采集經(jīng)緯度及海拔信息，將固定監(jiān)測(cè)終端的位置及狀態(tài)信息則保存在網(wǎng)關(guān)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.3 移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端

移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端掛載于無(wú)人機(jī)下方，無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)線圖像傳輸技術(shù)將攝像頭拍攝的畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)綗o(wú)人機(jī)遙控器或飛行眼鏡上，移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端將空氣質(zhì)量、經(jīng)緯度及海拔等數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。當(dāng)?shù)孛嫔系墓潭ūO(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)到空氣質(zhì)量異常時(shí)，其執(zhí)行器立即發(fā)出警報(bào)聲，采取必要的應(yīng)急措施，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)，管理人員圍繞問(wèn)題區(qū)域?yàn)闊o(wú)人機(jī)規(guī)劃路徑，無(wú)人機(jī)將按照規(guī)劃好的路徑飛行。移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端包含傳感器、控制器、執(zhí)行器、定位模塊及通信模塊。傳感器負(fù)責(zé)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，定位模塊負(fù)責(zé)采集經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)，控制器利用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。當(dāng)空中某處空氣質(zhì)量異常時(shí)，移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的執(zhí)行器發(fā)出警報(bào)聲并采取必要的措施。根據(jù)存在問(wèn)題區(qū)域的情況調(diào)整移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的氣體傳感器。移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的控制器選擇樹(shù)莓派，由于移動(dòng)終端快速移動(dòng)，數(shù)據(jù)量較大，選擇4G通信模塊。

2.4 通信協(xié)議

MQTT是基于TCP/IP協(xié)議構(gòu)建的一種輕量靈活的通訊協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MQTT是采用Pub/Sub方式的協(xié)議，提供了三種等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量。MQTT支持異步通信，在時(shí)間和空間上將消息發(fā)送者與接收者分離，可在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中擴(kuò)展，適用于設(shè)備間消息通信或需要反向控制的場(chǎng)景。CoAP是運(yùn)行在UDP協(xié)議之上的應(yīng)用層通訊協(xié)議，傳輸?shù)膬?nèi)容小巧精簡(jiǎn)。CoAP對(duì)資源的要求更低，多用于數(shù)據(jù)上報(bào)的場(chǎng)景。對(duì)于MQTT協(xié)議來(lái)說(shuō)， 相比CoAP它更加完善[5]。本文選擇MQTT作為網(wǎng)關(guān)及移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)之間的通信協(xié)議，便于反向控制。

2.5 監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)是化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理后臺(tái)，分為終端接入模塊、終端解析模塊、分析報(bào)警模塊、終端可視化模塊和反向控制模塊。MQTT Broker選用Mosquitto。Mosquitto是一款C語(yǔ)言編寫(xiě)的輕量級(jí)的開(kāi)源消息代理軟件，實(shí)現(xiàn)了MQTT協(xié)議 3.1和3.1.1。Mosquitto作為消息訂閱者與發(fā)布者的中介，支持可發(fā)布可訂閱的消息推送模式，接受來(lái)自客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接、訂閱、發(fā)布信息等請(qǐng)求，轉(zhuǎn)發(fā)消息給符合條件的訂閱客戶端，客戶端可以將消息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4所示。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

化工園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器選用騰訊云服務(wù)器，服務(wù)器配置為2核CPU、4G內(nèi)存、50Mbps帶寬、100G硬盤(pán)，操作系統(tǒng)選用Windows 2008 R2 SP1 64位，Web發(fā)布器選用IIS7.5，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL Server 2008 R2 64位，利用ASP.NET+AJAX技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)，調(diào)用騰訊云短信API，實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺(tái)短信發(fā)送功能。在Mosquitto官網(wǎng)下載安裝mosquitto 1.5.2，并在slproweb.com下載安裝Win64 OpenSSL v1.1.0 Light，構(gòu)建MQTT broker。

在Eclipse paho C#版的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)的MQTT客戶端，完成消息訂閱、發(fā)布并將消息存入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。

在Eclipse paho Python版的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)網(wǎng)關(guān)及移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的MQTT客戶端，完成消息的訂閱、發(fā)布功能，完成網(wǎng)關(guān)的消息轉(zhuǎn)發(fā)及終端信息保存等功能，完成移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警及執(zhí)行指令等功能。利用MicroPython開(kāi)發(fā)固定監(jiān)測(cè)終端的程序，完成數(shù)據(jù)采集、報(bào)警及執(zhí)行指令等功能。

固定監(jiān)測(cè)終端通過(guò)LoRa與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)通過(guò)4G將固定監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)。移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)4G與監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)通信，服務(wù)平臺(tái)將控制指令發(fā)給移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端或經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)給固定監(jiān)測(cè)終端。數(shù)據(jù)交換格式均為JSON。

根據(jù)化工園區(qū)內(nèi)不同區(qū)域產(chǎn)生的不同氣體，為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇不同的傳感器，并設(shè)置不同的報(bào)警閾值。當(dāng)固定監(jiān)測(cè)終端探測(cè)到某種氣體濃度超出閾值時(shí)，其執(zhí)行器立即發(fā)出警報(bào)聲，服務(wù)平臺(tái)獲取信息后發(fā)送短信給管理人員。管理人員根據(jù)問(wèn)題區(qū)域的情況為移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端選擇合適的傳感器，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃飛行路徑，無(wú)人機(jī)搭載移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端按照規(guī)劃的路徑飛行，管理人員可查看現(xiàn)場(chǎng)的圖像及移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的空氣質(zhì)量、經(jīng)緯度及海拔等數(shù)據(jù)，結(jié)合固定監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)為救援做決策，可以向固定及移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端發(fā)送應(yīng)急指令，采取措施以減小損失。在日常，無(wú)人機(jī)掛載移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端在園區(qū)內(nèi)飛行巡檢，與地面的固定監(jiān)測(cè)終端形成立體的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，有利于提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到化工園區(qū)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，固定監(jiān)測(cè)終端利用LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了園區(qū)地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)，結(jié)合無(wú)人機(jī)掛載的移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端，構(gòu)成了一個(gè)立體的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，有助于提高園區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。目前移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的操控還需人工參與，將來(lái)可以利用AI技術(shù)，在出現(xiàn)異常時(shí)，移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)選擇傳感器，無(wú)人機(jī)自動(dòng)規(guī)劃巡航路徑并巡航，采集空氣質(zhì)量情況，采取必要的應(yīng)急措施。

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