地质装备的物联网技术分析与应用

张 楠， 高 超， 雷 霄， 刘 智， 王子奡

(湖北省地质勘查装备中心，湖北 武汉 430034)

自2017年以来，物联网技术飞速发展，作为物联网架构中起承上启下作用的物联网平台也出现了百家争鸣的现象[1]。物联网平台作为物联网产业的枢纽，在物联网服务中提供终端管理、连接管理、应用支持、业务分析等功能。目前，提供物联网平台服务的厂商所针对的领域可分为以下四种：通信领域(如运营商、通信设备制造商)、互联网领域(如BAT)、软件系统服务领域(如IBM、微软)和垂直领域(如“机智云”)。

目前物联网技术在地质领域的应用需求主要集中在两个方向：一是众多科研单位和大专院校要求实现实验数据的收集汇总，同时监控管理各个重点实验设备；二是地质装备的野外管理，由于工作环境的各种不确定因素，需要对设备作实时、可靠的监控管理。物联网因其覆盖面广、实时性强、精确度高等特点，高度契合以上两点需求。卢新明等[2]在矿山物联网应用中验证了“云计算”与平台技术可以搭建一个完整、先进、具有普适性的矿山物联网云计算平台。徐永强等[3]研究认为物联网技术在预防、预警各种地质灾害中具有显著优势。得益于物联网平台的飞速发展，“物联网+地质”建立起良好的外部环境和硬件基础[4]，推动着“物联网+地质”向前发展[5-6]，物联网技术应用于地质行业具有十分广阔的前景。

“阿里云”物联网平台功能的获取与使用十分简便，客户在平台上可以快速进行应用开发、Web可视化开发和对应APP的发布。基于“阿里云”物联网平台的优势，本文重点围绕该平台讨论地质装备的物联网技术应用，以锥形球磨机为例，论述地质装备应用物联网技术的发展前景、技术目标、方案设计和软硬件设计，为进一步实现地质装备的物联网技术应用提供有力的支撑。

1 物联网技术应用于地质装备的技术目标及方案设计

将物联网技术应用于地质装备的主要技术目标是利用物联网平台，将信息传感设备与互联网相结合，从而实现人、机、物在随时随地都能够互联互通，在必要时辅以远程操控、定时、视频监控等其他手段，并确保设备运行稳定、安全。因此，其主要功能包括：

(1) 安全可靠地远程监控设备运行的状态；

(2) 实现设备的远程开启与停止、定时开启与停止等功能；

(3) 能够通过摄像头实时传输设备运行的图像信息。

要实现以上功能，离不开设备信息的实时网络传输。目前实现设备信息的网络传输主要有三种方式：①利用可联网的人机交互界面搭建物联网；②利用数据传输单元DTU(Data Transfer Unit)，通过无线通信网络传输数据；③利用集成WiFi网络模块的单片机MCU(Micro Controller Unit)，实现数据无线传输。相较于另外两种设备，MCU成本低、功耗小，可以直接连接待控制的设备，十分适合作地质装备的数据传输工具。

基于以上分析，系统以ESP32系统芯片作为核心模块，ESP32-CAM作为摄像头模块，在Arduino软件中编译，通过MQTT协议接入“阿里云”物联网平台实时监控设备，并且使用部分引脚作为输出端口控制设备的开启与停止。同时，通过“阿里云”物联网平台发布的Web可视化开发应用，直接在固定的网站上监控设备运行状态。设备运行的系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图Fig.1 Overall system architecture

系统中，Web可视化应用后台与“阿里云”物联网服务器直接连通，操作界面可以实时反馈设备运行状态，操作按钮控制设备启停、定时、视频监控等功能。“阿里云”物联网平台对ESP32系统芯片发布包括开启停止、定时启停、视频监控开关等操作指令，ESP32系统芯片向平台上传设备运行状态的信息。ESP32系统芯片收到指令后，根据指令内容启停ESP32-CAM模块、控制电路开关，然后通过控制电路开关直接控制设备运行与停止。

2 物联网系统硬件与软件设计

2.1 物联网系统硬件设计

物联网系统硬件设计内容主要包括ESP32系统芯片、ESP32-CAM模块和控制电路。

2.1.1ESP32系统芯片

ESP32系统芯片采用Xtensa Dual-Core 32-bit LX6内核，CPU频率最高可以达到240 MHz，并且还拥有容量高达528KB的RAM。本次研究选择以乐鑫ESP32系统芯片为核心的开发板Node MCU-32s。其中ESP32系统芯片共使用到4个GPIO接口(GPIO12、16、17、21)，用以控制设备的运行状态检测、启动、停止和ESP32-CAM模块的运行。ESP32系统芯片使用集成的WiFi功能联网，通过MQTT协议与物联网平台通信，以获取平台指令并发送设备运行状态信息。同时，ESP32系统芯片利用系统内的定时器可以实现本地定时功能，保证了定时启停功能的准确性与高效性。

2.1.2ESP32-CAM模块

ESP32-CAM模块是安信可最新发布的小尺寸摄像头模组，该模块是基于ESP32系统芯片设计的，可以作为最小系统独立工作，尺寸仅为27 mm×40.5 mm×4.5 mm，深度睡眠电流最低达到6 mA，十分适合用于本系统。当ESP32系统芯片的GPIO接口21发出高电频信号时，ESP32-CAM模块通过事先调试获取的固定IP地址即可进入摄像头操作界面，“Get Still”按钮可以获取摄像头拍摄到的图片，“Start Stream”按钮可以使摄像头开启视频监控功能，并且在页面内可以直接看到实时的视频。

2.1.3控制电路设计

此次用于物联网技术分析与应用的地质设备选用各实验室及院校广泛使用的XMQ-150×50锥形球磨机。该锥形球磨机可供实验室(干)湿法磨细矿石之用，也可供冶金、建材、化工、轻工、煤炭、水电、农业等领域磨细物料之用。与原有同类型磨机比较，该设备具有如下优点：

(1) 磨机筒体工作转速高，筒体内衬光滑，磨矿效率高，磨矿介质(钢球)充填率小，磨矿介质个数多，磨剥作用强。

(2) 配置平衡、合理，操作轻便、安全，排矿方便、迅速，工作噪音小。

(3) 磨细物料粒度组成均匀，过粉碎程度小。

(4) 机器结构紧凑，传动机构简单、可靠、润滑少，维护简便；使用安装不需专门基础台或工作台，移动方便，占地面积小。

该设备电源采用的是380 V三相电，为了方便物联网模块接入设备投入使用，设备的外部控制电路将基于380 V三相电源设计。设备外部控制电路的具体设计如图2所示。 其中，KM1与KM2分别为外部控制电路中控制设备启停开关的继电器开关，KM3来自于原设备内直接控制设备的继电器开关。当KM1或KM2通电时，对应的开关将闭合，反之则会断开，以达到类似于人员按下启动、停止的操作。

图3给出了在设备内部电路中各继电器开关运行的原理：KM3设计为自锁控制形式，自锁控制线路的特点是具有欠电压与失电压(或零电压)保护作用。当且仅当KM1线圈得电时，KM1开关闭合，从而使KM3线圈得电吸合，设备开始运行；当KM2线圈得电时，KM2常闭开关断开，使得KM3线圈失电，KM3常开开关断开，从而使设备停止运行。

图2 设备外部控制电路Fig.2 External control circuit of equipment

图3 设备内部电路Fig.3 Internal circuit of equipment

2.2 物联网系统软件设计

物联网系统软件设计内容主要包括MQTT通信协议设置、物联网模块控制系统以及Web可视化应用。

2.2.1MQTT通信协议设置

本实验中ESP32系统芯片与“阿里云”物联网平台通信协议采用的是MQTT协议，其最大优点在于可以用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。MQTT协议使用的是发布与订阅(PUB/SUB)模型，使用不同的主题(TOPIC)即可实现不同功能。表1列出了本系统中主要使用的TOPIC，并且给出了对应功能的说明。

表1 模块主要使用的TOPIC及其说明Table 1 TOPIC mainly used by the module and their descriptions

在TOPIC语句中，“${ProductKey}”指的是在“阿里云”平台创建项目时获得的项目编码，该编码是独一无二的。“${deviceName}”指的是在该项目中创建的硬件名称，不同的硬件应当设置不同的名称加以区别。

2.2.2物联网模块控制系统程序

如图4所示，ESP32系统芯片首先初始化系统，随后尝试连接网络。当连接网络失败时，系统会自动尝试重新连接；如果成功连接网络，ESP32系统芯片会上报设备目前的状态，例如开启或停止状态、定时器剩余时间、摄像头状态以及设备运行时间等信息。同时，ESP32系统芯片会等待接受物联网平台发送过来的指令，当设备没有接收到信息时，会返回检查连接状态，并如此循环；如果接收到开关、摄像头开启停止或者设置定时器时间等指令时，系统会在执行指令之后再返回等待状态。

图4 物联网模块控制系统程序流程Fig.4 Procedure flow of Internet of Things module control system

2.2.3Web可视化应用

Web可视化应用使用的是“阿里云”物联网平台IoT Studio下的Web可视化开发功能，在Web可视化应用开发时，只需要将按钮与设备内部对应参数变量相结合即可实现所需要的功能。图5是笔者搭建的一个十分简易的Web可视化界面，可以在一个固定网页中实现物联网系统的控制。其中的开启、停止分别对应ESP32系统芯片的GPIO16、17引脚，从而控制KM1与KM2。而下方的数字输入框是设置定时器时间的窗口，例如想要控制设备在60 s后自动断开，只需要在方框内输入60即可。右侧的指示灯显示的是设备目前处于开启或停止状态(红灯代表停止状态，绿灯代表开启状态)。

图5 简易的Web可视化应用界面Fig.5 Simple Web visualization application interface

3 物联网控制系统测试与使用

当系统正常工作时，可以在“阿里云”物联网平台上查看设备目前的运行状态，具体如图6所示。此时，只需要在之前设计的Web可视化应用中操作相应按钮，即可完成对应的操作。当按下开启按钮时，设备开始运行；当按下停止按钮时，设备停止运行。同时，在设备运行时输入定时器指定时间，设备则在一段时间后自动停止运行。对于摄像头功能需要特别说明的是，在本次研究中ESP32-CAM模块需事先接收模块传回至串口的IP地址数据，进入相应地址后才能够实现摄像头相关信息的采集。成功进入ESP32-CAM模块对应的IP地址后，将得到如图7所示的界面。

4 结语

随着网络技术不断发展，地质装备与物联网技术相结合具有十分广阔的应用前景。本次研究从设计具体方案，到利用ESP32系统芯片、ESP32-CAM模块和“阿里云”物联网平台完成设备的物联网应用设计，再到验证实验方案，最终实现设备的远程定时开启、停止控制以及摄像头监控功能，达到预期效果，这对实现地质装备的远程操控具有十分重要的意义。

图6 设备在阿里云物联网平台运行状态界面Fig.6 The interface of equipment operation status on Alibaba Cloud of Things platform

图7 ESP32-CAM摄像头模块界面Fig.7 ESP32-CAM camara module interface

本次实验研究的ESP32系统芯片还具有数字与模拟量的输入输出功能，因此在未来的研究中还可以引入数字与模拟量的信号，进而实现温度、湿度、重量等常见物理量的实时测算、传输，从而不断完善地质装备与物联网技术的结合应用。