基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与监测系统的研制

贾荣媛　王宜怀　王小宁

摘 要：此文设计并实现了基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与监测系统。本系统框架总体分为三层，终端层在每个净化器内嵌入智能节点，采用飞思卡尔的MKW01Z128（简称KW01）作为控制芯片，负责信息状态采集与Zigbee通信；中间层为主控器节点，采用K60作为主控芯片，同时使用KW01芯片作为通信芯片，实现与终端节点的无线数据传输；服务器层作为数据处理与存储的中心，实现了安全的访问控制，并通过ASP技术为不同的用户提供其所需的实时系统运行情况，和系统输出大气的质量。

关键词：空气净化；物联网；MKW01Z128；无线通信；Web

中图分类号：TP311 文献标识码：B

1 引言（Introduction）

近年来我国的环境污染呈现加剧之势，废气处理情况堪忧，一方面废气处理净化设备技术低下，废气处理效率低，导致处理后的废气不达标；另一方面废气处理净化设备信息孤立，当废气处理净化设备老化或者故障时，不能及时进行检修；另外缺乏强有力的监督机制和监督手段，有限的执法机构和执法人员不足以遏制废气排放的查处。

针对以上问题本文提出了基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与监测系统的研制，能够实现对空气净化器的智能控制与监测。

2 智能净化与监测系统的可行性分析（Feasibility

analysis of intelligent cleaning and monitoring

system）

本系统终端节点主要为自主研发ZIGBEE智能节点终端控制器，主要功能有：短距离无线组网，能够根据不断改变的网络现状进行动态拓扑，维持整个网络的有效通信[1]；远程程序自动更新，控制人员只需要在服务器层修改智能节点中的相关程序，系统就能够远程更新所有智能节点中的控制程序；参数可配，智能节点的相关参数可远程配置更新。这使得远程控制得以实现。

同时，本系统使用的KW01芯片，芯片内部集成了KL26微控制器和SX1231无线收发器，内置三个可编程选择PA。其工作频率范围十分宽广，包括免许可的工业、科学和医疗（ISM）频段所覆盖的315、433、470、868、915、928和960 MHz。

3 智能净化与监测系统的体系结构（System

structure of intelligent cleaning and monitoring

system）

基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与监测系统的总体框架图如图1所示。

图1 基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与

监测系统的总体框架图

Fig.1 The overall framework of a WSCN based intelligent

purification and monitoring system which can deals

with industrial waste gas and lampblack

终端层，在每个净化器内嵌入智能节点，MKW01Z128（简称KW01）作为控制芯片，负责信息状态采集与Zigbee通信。KW01是Freescale于2014年正式推出的ARM Cortex-M0+内核Kinetis KL26 MCU与SX1231-RF组成，面向智能家居、智能城市等各种物联网应用。KW01负责终端节点的数据采集与数据通信。

中间层的主要部分是GPRS-ZIGBEE路由器，以32位ARM Cortex-M4 K系列芯片K60[2]为核心，通过UART与KW01无线传感传感网络主控节点通信。其中KW01无线传感网络主控节点采用ZIGBEE方式与终端控制器通信，将无线传感网络的数据信息传输到以K60为核心的数据收发处理模块，通过2.5G/3G[3]发送到服务器层；也可接收服务器层命令发送给智能节点终端控制器。

服务器层作为数据处理与存储的中心，实现了安全的访问控制[4]，并通过ASP技术为不同的用户提供其所需的实时系统运行情况，和系统输出大气的质量，使得用户可以以浏览网页的方式对智能净化系统智能化监测与控制。

4 智能净化与监测系统的软件设计（Software design

of intelligent cleaning and monitoring system）

4.1 需解决的问题

在本系统的三层结构中，终端层与中间层属于低端，主要在硬件上实现基本功能，而服务器层的Web软件是用户与低端交互的一个接口。为了实现智能净化与监测，需要建立一个具有足够交互能力并可实现安全控制访问的动态网站，使用户通过浏览器能够获得实时的信息，并且用户可以通过浏览器对净化器进行一定的操作。为了实现这一目标，需要解决以下问题：（1）目前废气处理净化设备信息孤立，当废气处理净化设备老化或者故障时，不能及时进行检修。因此该软件能够监测到故障设备并提示用户。（2）缺乏强有力的监督机制和监督手段。进行大量的报表统计。方便监管部门从数据中方便快捷地查找数据是本系统需要解决的又一问题。（3）系统具有很好的实时性，能够实时显示GPRS通信状态以及各个设备的工作状态。（4）系统具有节能性。当检测到将要被处理的废气符合国家环保标准，设备将停止工作，节约能耗。

4.2 Web数据库的设计

Web数据库指在互联网中以Web查询接口方式访问的数据库资源。使用Web数据库使得软件具有维护系统费用低、软件版本更新不涉及用户、系统的管理和维护集中于服务器上、具有很强的扩展性和可维护性等优点。表1为系统的数据表名及其功能。限于篇幅，只选取部分罗列。

表1 系统的数据表名及其功能

Tab.1 The name of the table and its function of the system

数据表名 功能

NodeInfo 该表用于存储Zigbee节点相关信息

UserInfo 该表用来存储用户的登陆信息

DirControl 该表用来存储所有向主控器发送的命令，包括未发送的和已经发送的，通过HandelFlag字段表示

NodeState_AirCleaner 该表用于存储从主控器接收到的终端节点的帧数据State

4.3 主要技术

本软件网页设计采用的技术如下：（1）Ajax[5]，实现网页局部更新。（2）session[6]，用于页面跳转保存信息。（3）Cookie，用于存储用户信息，使用户再次登录时无需输入用户与密码。

为了使系统能够可靠稳定运行，在每次给终端节点发送命令时都要获取反馈信息。如：当用户在网页中对目标净化器进行开关操作时，发送执行命令后，带回指令执行情况标志HandelFlag，系统将根据HandelFlag的值判断指令执行情况，如果指令执行失败或者发送超时，系统将提示用户再次发送指令。

另外，采用可靠的加密算法，不同权限的用户访问的信息不一样。只有超级管理员才有权限管理用户，只有管理员以上级别的用户才可以发送控制命令。每个用户的登录密码都经过MD5加密，不容易破解。

本系统还使用highstock图表库，绘制动态图。将每个终端节点监测的净化器信息以曲线方式显示在图表中，并可实时动态添加净化器最新的最新状态数据，方便用户观察与分析数据。

4.4 软件实现

本软件系统采用Microsoft Visual Studio 2012+Internet信息服务（IIS）+SQL Server 2008 R2模式进行开发。由于篇幅限制，本文将介绍以下软件模块。

（1）登录模块。登录模块主要负责用户的登录管理。用户输入用户名和密码后，服务器调用数据库UserInfo进行验证，若验证通过，则允许用户进入系统主页面，并将滚用户加入到在线用户链表，记录用户登录的session；若验证不通过，则返回错误提示，拒绝用户登录[7]。

（2）净化器信息模块。此模块功能是向用户显示所选主控器号下的净化器数据，以及对净化器数据进行配置。当用户选择查询所有数据时，服务器调用数据库的NodeState_AirCleaner表，将对应主控器号下的所有净化器数据显示出来，如果用户选择查询最近数据，则服务器在NodeState_AirCleaner表中查询对应主控器号下的最新一条净化器数据并显示给用户。净化器数据配置则是针对一台净化器设备进行数据配置。

（3）单节点监控模块。单节点监控模块功能是将用户所选终端节点对应的净化器信息如AD、PWM、温度等以动态图的方式显示，在此页面上用户可直接对净化器设备进行操作。当此模块页面加载时，服务器调用数据库的NodeInfo表，将表中存在的主控器号和节点号添加在下拉列表中，方便用户选择，页面将根据用户所选节点号绘制动态度。如图2为单节点动态图。当用户在此模块对目标设备进行开关操作时，服务器向DirControl数据表发送指定格式的命令，通过读取HandelFlag标志判断指令是否执行成功，并提示用户。

5 结论（Conclusion）

本文通过对基于WSCN的工业废气、油烟智能净化与监测系统的可行性以及系统结构的分析阐述了Web软件设计方

案。该软件采用了Ajax、Session、Cookie等技术使系统能够可靠稳定运行。本系统在低端硬件方面能够完美契合软件系统的功能，方便用户监测与控制空气净化器设备以实现智能净化。

图2 单节点动态图

Fig.2 Single-node dynamic map

参考文献（References）

[1] 无线龙.ZigBee无线网络原理[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2] 王宜怀，蒋银珍，吴瑾.嵌入式系统原理与实践—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：电子工业出版社.2012.

[3] 王宜怀，等.嵌入式技术基础与实践（第二版）[M].北京：清华大 学出版社，2011.

[4] 丁瑞麒.如何做好服务器安全[J].计算机与网络，2015，（1）：41.

[5] 谭力，杨宗源，谢瑾奎.Aj缸技术的数据响应优化[J].计算机工 程，2010，（11）：95-98.

[6] Roben H，Jared S.web Anatomy：Interaction Design Frameworks that Work [M]. [S.I.]：Pearson Education，k.，2010.

[7] 张晶.提高网站用户注册数据的安全有效性[J].电脑编程技巧 与维护，2012，（4）：97-99.

作者简介：

贾荣媛（1992-），女，本科生.研究领域：嵌入式系统及应用.

王宜怀（1962-），男，博士，教授.研究领域：嵌入式系统及

应用.

王小宁（1993-），男，本科生.研究领域：嵌入式系统及应用.