摘要

本火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)由安徽理工大學電氣工程專業(yè)的孫昌設計開發(fā)完成，通過采用機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，融合Zigbee技術、傳感器技術和4Ｇ移動通信技術，實現(xiàn)對火電廠多種污染源的數(shù)據(jù)采集，污染源分布狀況的實時監(jiān)測以及網(wǎng)絡共享和數(shù)據(jù)存儲。與傳統(tǒng)監(jiān)測設備相比，避免了布線復雜、污染源定位難、監(jiān)測區(qū)域受限制等難題，并在很大程度上減輕了人力物力的投資，為火電廠灰霾的實時監(jiān)測提供了較高的實用價值。

正文內(nèi)容

目前，我國灰霾監(jiān)測站點以國控站點為主且存在著站點設備耗資較大、節(jié)點單一等問題。對于諸如火電廠等大型工礦企業(yè)的排污監(jiān)控往往采取較為傳統(tǒng)的人工測量手段，需要相關技術人員依靠工作經(jīng)驗對監(jiān)測點進行選址或使用測量精度相對較低的便攜式測量儀器。如此辦法采樣效率低，耗時費力，無法保障數(shù)據(jù)的準確性、實時性及充分性。本系統(tǒng)設計將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于火電廠灰霾參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中，通過基于機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)對火電廠灰霾的實時監(jiān)測，可實時監(jiān)測煙氣排放，掌握區(qū)域周圍空氣質(zhì)量狀況，能夠幫助相關管理部門對火電廠排污進行有效管控和治理。根據(jù)需求提出以Zigbee構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡的設計方案，完成了火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)樣機的設計與制作，采用4G網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)布到機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行網(wǎng)絡共享和數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

基于無線傳感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。終端部分是由Zigbee傳感節(jié)點構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集無線自組網(wǎng)模塊，污染源數(shù)據(jù)經(jīng)由匯聚節(jié)點接收和轉(zhuǎn)發(fā)上傳到4G網(wǎng)關以接入互聯(lián)網(wǎng)，海量數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡傳輸上傳到PC端、移動手機以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

傳感器子節(jié)點集成了各種氣體傳感器、MCU以及Zigbee路由器。網(wǎng)絡內(nèi)部任意節(jié)點均可當選為路由節(jié)點，這歸結(jié)于路由算法和實際應用需求以及現(xiàn)場環(huán)境，路由節(jié)點負責接收每一個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，與網(wǎng)關節(jié)點實現(xiàn)通信，將監(jiān)測區(qū)域污染源數(shù)據(jù)打包上傳至網(wǎng)關模塊；網(wǎng)關模塊的功能相對復雜且靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)需求進行定制，網(wǎng)關是傳感器網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)的中轉(zhuǎn)站。

本設計的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關模塊設計需求是實現(xiàn)污染源數(shù)據(jù)的預處理，同時應用4G通信將數(shù)據(jù)上傳至機智云云平臺。云平臺主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和可視化處理。

云服務器/云平臺選擇

云服務器可以為網(wǎng)絡系統(tǒng)提供簡單高效、安全可靠的計算服務，與傳統(tǒng)物理服務器相比，其在計算及數(shù)據(jù)處理能力上具有十分明顯的優(yōu)勢，并且云服務器擴展升級方便，成本可控。

云服務器平臺眾多，包括阿里巴巴、百度云、機智云、騰訊云和許多其他產(chǎn)品的選擇。其中，機智云物聯(lián)網(wǎng)所提供的機智云云平臺是一種專門面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用平臺，其為國內(nèi)多個企業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員和科研機構(gòu)提供云服務。機智云以分布式云服務器為基礎，以在web表單提供服務為主旨，能極強地保障數(shù)據(jù)的安全可靠，其配備維護簡單的專用帶寬，能夠靈活適用于各種規(guī)模大小的系統(tǒng)。云服務器相較于傳統(tǒng)的服務器具有諸多優(yōu)勢，其在系統(tǒng)的穩(wěn)定性上具有十分明顯的優(yōu)勢，其獨有的彈性管理模式適用于用戶的多樣化需求，其安全性是有所保障的，并且其對數(shù)據(jù)的海量存儲能力適應了當下大數(shù)據(jù)的開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)在，如果發(fā)生意外的停機，系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)可以隨網(wǎng)絡迅速迀移并存儲；系統(tǒng)具有較好的彈性，表現(xiàn)在用戶可以使服務器的CPU、內(nèi)存、帶寬等，并且可以靈活拓展系統(tǒng)容量；安全性指的是，云服務器為用戶提供病毒查殺和攻擊保護。

綜上所述，機智云云平臺是一個易于處理大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)的、可擴展性的網(wǎng)絡服務器，用戶的產(chǎn)品可以通過機智云平臺無縫地接入云端，機智云持續(xù)提供管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件模塊及電路設計

Zigbee模塊作為系統(tǒng)終端監(jiān)視設備，負責收集各種氣體源數(shù)據(jù)，建立一個安全的和穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)，以獲得各種有效的數(shù)據(jù)的基礎上。下面將對火力發(fā)電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的硬件進行詳細設計，設計傳感器網(wǎng)絡電路，以及網(wǎng)關電路設計。火電廠灰霾監(jiān)測管理系統(tǒng)的感知層主要由數(shù)據(jù)傳輸機構(gòu)和采集機構(gòu)可以組成。系統(tǒng)搭載溫濕度傳感器，PM2.5、PM10、CO、SO2、和NO2傳感器。

系統(tǒng)總體架構(gòu)火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的硬件是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點三部分構(gòu)成，以下對三個部分進行詳細設計，包括硬件選型和電路圖的繪制。硬件電路設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點由Zigbee模塊構(gòu)成，模塊的主控芯片是CC2530，其最小硬件系統(tǒng)由電源模塊、傳感器接口、USB調(diào)試接口以及時鐘電路組成。圖3CC2530核心板1）CC2530最小系統(tǒng)CC2530的最小系統(tǒng)進行電路設計。在供電部分，AVDD1-AVDD6是模擬電源，連接2V-3.3V模擬電源；DVDD1和DVDD2屬于數(shù)字電源，連接2V-3.3V數(shù)字電源；RBIAS外接精密電阻，產(chǎn)生偏置電流。圖4 CC2530最小系統(tǒng)
CC2530有兩個UART口，其中P0.2和P0.3是UART0，P0.4和P0.5是UART1。在本文的設計中，UART0負責協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關節(jié)點的通信。UART1用于串口調(diào)試。2）功能底板的電路設計

CC2530外圍電路的設計包括USB串口模塊、JTAG下載模塊兩個部分，一般情況下還有按鍵功能的設計。

USB串口模塊電路設計

本文選擇CH340G作為USB串口模塊的轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)RS232。芯片使用需要下載驅(qū)動。CH340G模塊電路設計如圖5所示。

圖5CH340G模塊電路

JTAG下載模塊電路設計

JTAG模塊用于程序的下載和ZStacK協(xié)議棧的分析測試。JTAG電路設計如圖6所示。

圖6JTAG電路

射頻模塊電路設計

射頻模塊用于信號的傳輸和放大，射頻電路設計如圖7所示。圖7 射頻電路
3）傳感器監(jiān)測模塊選型

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的檢測對象包括PM2.5、PM10、CO、SO2、和NO2，下面將對具體傳感器進行選型。

細顆粒物檢測模塊

使用第二代Sharp GP2YIO51AUOF傳感器測量PM2.5、PM10細顆粒物，可以區(qū)分香煙和室外粉塵，實現(xiàn)PM2.5及PM10濃度數(shù)據(jù)的采集。GP2YIO51AUOF傳感器結(jié)構(gòu)，如圖8下所示。

圖8GP2YIO51AUOF傳感器結(jié)構(gòu)

細顆粒物傳感器接口電路設計

細顆粒物監(jiān)測模塊不需要依賴太多的外圍電路。只需連接電源5Ｖ、接地和串口即可工作，如圖9所示。串口與引腳之間的連線不得超過2.5米。

圖9GP2YIO51AUOF與CC2530接線圖

灰霾等級指標

根據(jù)PM2.5監(jiān)測的灰霾等級標準設置PM2.5濃度的報警閾值。

表1 PM2.5標準指標

氣體傳感器

針對CO、SO2、和NO2等濃度的監(jiān)測采用了ZE12型電化學模組。

氣體模塊接口電路設計

本系統(tǒng)中選用了串口數(shù)字輸出方式。由P0發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，CO、NO2、SO2傳感器分別與P0.4、P0.5、P0.6相連接，用來接收傳感器輸出的氣體濃度信息。電路連接如圖10所示。

圖10ZE12傳感器與CC2530接線圖

氣體指標

其中CO氣體的探測范圍是0~12.5ppm，其他氣體探測范圍是0~2ppm。詳細指標如表2。表2氣體傳感器技術指標4）系統(tǒng)供電電路設計
由于Zigbee模塊被放置在室外環(huán)境下，所以節(jié)點采用太陽能供電的方式。充電電池選擇5V鋰電池，選用CN3163作太陽能充電控制電路。圖11太陽能供電電路本設計采用5V鋰電池用于系統(tǒng)模塊的供電，5V電壓可以直接給PM2.5傳感器、氣體傳感器供電。CC2530芯片所需電源為3.3V，需要對5V電壓進行轉(zhuǎn)化，做降壓處理，本文采用XC6206對作DC-DC轉(zhuǎn)換。
圖12系統(tǒng)供電電路 5）Zigbee傳感器節(jié)點PCB設計結(jié)合以上電路原理圖的設計，設計了Zigbee模塊的PCB電路圖，將Zigbee模塊硬件放于室外時需要加裝塑料外殼，用于做防水處理，也可以保證內(nèi)部元器件的使用壽命，Zigbee模塊的PCB電路圖如圖13所示。圖13傳感器節(jié)點PCB電路圖網(wǎng)關節(jié)點硬件設計網(wǎng)關節(jié)點主要由Zigbee協(xié)調(diào)器、液晶屏模塊、4G模塊構(gòu)成，主要功能是實現(xiàn)處理和發(fā)送采集的數(shù)據(jù)至機智云云平臺。網(wǎng)關模塊主控芯片采用STM32F103RE。4G模塊采用芯訊通公司的SIM7600CE ，其內(nèi)部搭載的TCP/IP 支持系統(tǒng)與Internet相連，可以將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。1）主控制器電路設計

處理器是整個系統(tǒng)的核心，其他模塊都需要通過處理器來驅(qū)動。本文設計的基于無線觸感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾檢測系統(tǒng)采用STM32F103RE芯片。

STM32處理器最小系統(tǒng)原理圖

主控芯片為STM32F103RE，時鐘電路由晶振Y1、電容C 5、電容C6構(gòu)成8MHz時鐘，接到CPU的PD0和PD1，該電路主要用于提供外部高速時鐘，用來驅(qū)動芯片內(nèi)核。

圖14STM32F103RE處理器最小系統(tǒng)原理圖

圖15STM32F103RE時鐘電路

STM最小系統(tǒng)下載調(diào)試接口原理圖

本文采用一種區(qū)別于JTAG模式的ST-Link下載調(diào)試接口，該接口只需要占用兩個接口資源。U2SWD的2號腳U2SWCK接STM32的PA14，3號腳的U2SWIO接STM32的PA13，這兩個引腳不可作為通用輸入輸出接口復用，調(diào)試接口電路圖如圖16所示。

圖16網(wǎng)關模塊下載調(diào)試接口原理圖

網(wǎng)關節(jié)點硬件實現(xiàn)

網(wǎng)關節(jié)點設計的PCB電路圖如圖17所示。圖17網(wǎng)關節(jié)點PCB電路圖2）主控板電源設計本設計選取MIC29302做電壓轉(zhuǎn)換，將12V鋰電池電壓降為3.3V、3.8V分別給CPU和4G模塊供電。電路圖設計如圖18所示。圖18網(wǎng)關節(jié)點電源電路 3）液晶屏接口電路設計網(wǎng)關模塊配置了LCD屏，可以方便管理人員實時觀測污染源變化情況。該LCD為串口形式，節(jié)約接口資源，LCD的電路設計圖如圖19所示。圖19液晶屏接口電路4）4G模塊電路設計4G模塊選用SIM7600CE模塊，其電路設計包括SIM7600CE接口電路、SIM卡電路和串口電路組成。

SIM7600CE接口電路

USIM卡電路

4G模塊PDB電路

系統(tǒng)軟件設計——設備接入云平臺

機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺具有數(shù)據(jù)處理和存儲的功能，可以在網(wǎng)絡上共享數(shù)據(jù)，機智云云平臺具有web端和移動設備APP，當用戶將自己的終端設備注冊到云平臺后，會相應地獲得設備所對應的二維碼，可以通過手機APP綁定設備，獲取設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并監(jiān)測設備的運行狀態(tài)。具體的操作流程如下：

首先進入機智云官網(wǎng)，注冊設備并獲得認證，可以獲得對應的二維碼，如圖23所示。

圖23使用APP掃碼綁定虛擬設備

當虛擬設備登錄后，會在日志中顯示并記錄登錄信息，如圖24所示。

圖24設備上線

接下來，測試虛擬設備和移動應用程序來發(fā)送數(shù)據(jù)。在虛擬設備中，分別填寫每個數(shù)據(jù)點的值，然后單擊按鈕將數(shù)據(jù)發(fā)送給應用程序。用于每個數(shù)據(jù)點的值分布的虛擬設備如圖25所示。

圖25APP端樣式圖及數(shù)據(jù)曲線圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺功能將終端設備注冊后接入網(wǎng)絡并上傳數(shù)據(jù)，登錄機智云官方網(wǎng)站，選擇自己創(chuàng)建的基于無線傳感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾監(jiān)測項目，查看設備日志。當觀察到設備列表的狀態(tài)為聯(lián)機，就表明設備成功接入到機智云云平臺。點擊“查看”按鈕，可以查看通訊日志、運行記錄等設備相關信息，見圖26。圖26機智云平臺的設備記錄詳情實現(xiàn)APP移動應用程序查看上載的數(shù)據(jù)并控制設備設備成功接入云平臺后，可以通過APP移動應用查看當前設備的監(jiān)控信息，如圖27所示。這里要說明的是，針對擴展類型數(shù)據(jù)變量，其在應用程序中以十六進制ASCII碼的形式表示。圖27手機APP顯示界面系統(tǒng)整體調(diào)試與功能測試

下面對整體系統(tǒng)的功能進行實際驗證，具體的工作內(nèi)容是給終端節(jié)點分配傳感器硬件，將調(diào)試成功的程序燒錄到各個硬件模塊中去，最后測試各個模塊的數(shù)據(jù)采集情況，并檢測數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送到協(xié)調(diào)器端。

圖28系統(tǒng)節(jié)點實物搭建

本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)分為兩部分，一部分是面向監(jiān)測對象火電廠的傳感器網(wǎng)絡部分，該部分主要負責進行污染源數(shù)據(jù)的采集；其次還有網(wǎng)關模塊所負責的網(wǎng)絡傳輸功能，負責將數(shù)據(jù)上傳至機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行共享和存儲。圖29傳感器節(jié)點實物

對于終端節(jié)點的測試進行了長期的觀測和記錄，結(jié)果表明在設備供電情況穩(wěn)定的狀態(tài)，終端設備始終保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和傳輸效率保持在穩(wěn)定水平。

通過對系統(tǒng)整體測試的統(tǒng)計分析，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。在很長一段時間，可以精確測量二氧化硫濃度的陰霾指數(shù)，PM2.5濃度和PM10濃度，得到空氣中溫度和濕度的信息，以及地理位置的設備，支持云端查看監(jiān)控信息，APP遠程監(jiān)控設備，發(fā)送報警信息等。系統(tǒng)達到了統(tǒng)一設計的要求。系統(tǒng)總結(jié)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術設計了基于機智云云平臺和4G通信的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。Zigbee技術的使用，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測模式節(jié)點單一，成本高昂的弊端。完成了4G模塊在嵌入式系統(tǒng)中的設計，通過移動LTE網(wǎng)絡將污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳到機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享和遠程監(jiān)測。

實驗證明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種污染源的采集，與傳統(tǒng)監(jiān)測設備相比，避免了布線復雜、污染源定位難、監(jiān)測區(qū)域受限制等難題，并在很大程度上減輕了人力物力的投資，為火電廠灰霾的實時監(jiān)測提供了較高的實用價值。