基于Java EE的烟气数据采集与可视化系统

张春艳，刘俊宇，陈 辉，张福峰，曲永强

(国家电网抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

在双碳经济的高速发展下，烟气排放的问题愈加严重，如何有效实施监测备受关注。当今环境下，烟气的产生主要是燃烧物体产生，一部分有毒有害气体会影响大气层，另外过度砍伐烧毁树木也会对大自然有很大的影响。然而烟气排放分布不均匀，在偏远乡村，排放量大，在一些火力发电的场合采集难度大，如果没有及时采集，会对数据造成影响，导致采集的数据与实际有偏差，因此一套可视化的采集系统相当重要的。随着信息技术的飞速发展，信息化的环境给社会各阶层带来了巨大的挑战，同时也提供了更多的方法[1-2]，将各个地区的采集数据信息化，并实时通过通讯装置3G/4G/5G通信传输到后台，能够满足数据采集的时效性和准确性。

烟气系统管理作为现代工业的基础设施，具有重要的研究价值。同时涉及环境、通信、运维等各个方面都是具备极强的专业性和复杂性，业务的复杂性为管理工作带来了更多的挑战，需要开发信息软件进行数据管理[3-4]。工业企业烟气管理系统根据烟气管理的需求，急需要组建一个覆盖数据中心总部和各个采集点的统一标准、信息互通便捷、流程简洁的烟气管理系统平台。烟气采集同样面临着采集工作的复杂性和采集过程需要相当强的专业性，采集的地区不同、环境不同、地形等的多样性。

1 烟气数据采集要点

采集过程中注意样本的选取，每种环境样本选取三组，包括偏远地区靠近农户的地方、城市地区、地广人稀的地方、重工业地区、居民区、街道马路等。采集系统可以连续工作，在外部电路中设计看门狗，在系统进入死循环时及时重新启动电路。所以采集系统具备免维护能力，在断电后能够自动休眠，在系统来电后会自动恢复工作。采集系统能够接收远程的网络配置信息，实现一定程度的远程配置升级。对于采集的数据可通过互联网传输到服务器后台，方便后台操作人员可以方便对比和操作。采集设备具备自检功能，在发现传感器等出现异常数据或不工作是，会上传报警信息，对于采集过程中出现的设备故障断电问题可以及时反馈。

2 关键技术

2.1 Java EE

Java EE的缩写一般为J2EE，来自美国SUN集团推出的一款针对公司的开发工具，具有快速部署且易于入手的网络化编程语言，基于传统Java的一项变种创新尝试，为公司和集团开发软件提供了新的选择。J2EE的组件有包括JDBC、EJB、JNDI等13项，其中JDBC是用于数据库的读写。EJB为企业级JavaBean，在一个企业级应用程序中作为一个可被管理的组件，随着技术的发展更新，这项技术逐渐被淘汰了。JNDI是J2EE的相关文件系统的接入路径管理，提供了一个入口程序。特别还有Servlets为J2EE的网页可视化提供了动态特性，为UI的人机友好化带来极大的便利程度，因此J2EE是开发软件与网页的不二良选。

2.2 物联网技术

物联网技术是第三次信息技术革命的产物，通过物联网技术可以实现万物互联，并可以通过传感设备与互联网进行数据交换，实时对数据进行跟踪、定位、收集。

2.3 CDN分发

CDN内容分发网络通过在多处布置静态缓存服务[5-6]，从而以存储空间换取时间上的效率，会自动选择附近节点中的内容，以代替请求服务器发送所需要的内容。随着信息技术的发展，在CDN的理念之上有开发了Squid、Varnish等软件，就目前而言Squid慢慢退出CDN市场，而Varnish正在兴起。Varnish的优点是减少了在网络上的请求和响应的要求，对于托管用户的互联网带宽有所下降，节省了带宽，减少了服务器的请求，对服务器的载入也随之减少，用户可立即获得请求响应，因此也减少了用户接入的时间，增加了吞吐量，提高了可靠性。这些优异的特性，将帮助提升管理系统使用的便利性和稳定性，从而选择CDN作为管理系统的分发关键技术。

3 系统设计方法

3.1 数据可视化架构设计

烟气检测系统服务利用Java EE平台，采用多重架构组成，三层结构体系见图1。Java EE业务系统有表示层、逻辑层和数据层，其中比较关键的是利用逻辑层将表示层与数据层分隔开，让烟气检测的数据更少地与外界连通，使系统数据更具有安全性。

图1 业务系统三层架构体系Fig.1 Three tier architecture of business system

在用户界面层，系统给使用者提供了操作接口。以HTML部署架构，CSS与JavaScript编写程序逻辑，另外将JQuery与Bootstrap结合进行美学人机交互的深度重构，实现业务管理功能。再利用Java EE平台将前端数据传递到逻辑层，然后将后台数据处理后在前端显示。在逻辑层主要实现业务登记流程，把数据与业务流程结合，完成业务系统后台正常运转，自动存取运算工业企业的相关信息数据，实现用户界面与系统数据库的链接。最终在数据层利用Java EE平台逻辑层设计面向对象的应用接口，根据逻辑层指令对工业企业数据进行处理，再返回逻辑层。通过以上三层架构，实现整个业务管理系统的正常流转，从而满足业务管理系统稳定运行的需要。

3.2 物联网系统设计

必须对烟气数据管理系统的原则、架构、功能充分了解掌握，才能设计出管理系统的建设方案。烟气数据管理系统应该满足软件行业多项技术标准原则，防止出现不可控的软件故障问题，影响用户体验和安全问题。烟气数据管理系统采用B/S结构，B/S结构在Internet 模式下的应用，成本较低，可以实现不同工作人员对系统的操作与访问[7-8]，在B/S结构下数据平台和访问的权限更加安全，系统数据库也相对比较安全。系统由SoTower组件、MVC开发模式，简化和规范开发流程，给技术实现减少软硬件技术难题，充分发挥Java的部署优势，可以在多系统之间灵活移植。在纵向上，后台对监测点可以自上而下或者自下而上的进行双向数据传输，通过一体化平台可以保证数据安全有效的快速传输。

根据企业业务逻辑需求，对系统的数据库进行设计，把具体业务需求本系统采用E-R模型，这种模型直接跳过数据库管理系统来表达实体之间的关系。数据库主要分为采集点数据表、烟气数据处理之后的记录表、数据中心进行数据处理的记录表，采集点的数据表主要包含的是各采集点的数据，烟气数据处理后的记录表主要是对企业数据进行处理分析收集的数据，再反馈至系统后台，后台再将结果反馈至烟气数据记录和，采集点与数据中心之间的信息就能迅速协同。

外部物联采集设备需要满足低功耗和低成本要求，综合考量下选用CC系列模块。CC系列模块价格低廉，具备一定的数据处理功能，能够满足低频的数据采集转发需求，在物联网行业应用广泛。目前行业内已经存在为物联网专用的芯片，这类芯片将常用无线通讯模块与单片机封装到一起，增强数据采集、分发、上载的可靠性和稳定性。CC2540就是这样一类芯片，将数据采集与低功率蓝牙模块结合，此次物联网设备选用此芯片作为主控芯片。

4 数据采集与可视化效果

烟气物联数据管理系统采用B/S模式，将Java EE技术、数据库管理充分运用，完成了整体系统、多重搭建、广泛使用的管理模式。更有效地加快各采集点之间的联系沟通，对于这之间传递的信息也能有效降低拖延和失真。同时管理系统采用的Java EE技术，使得该系统具有很好的可移植性，同时也提高了数据的安全性，使得数据更加安全可靠，使得烟气数据采集的便利性和可靠性提升明显。

物联网采集数据主要包含温度、湿度、PM2.5、PM10、SO2、风速等，采集模块使用模块化设计，具体采集模块依据场景需要进行裁剪。在实际使用中发现烟气采集系统在1 a的不同时间，在不同典型环境下，数据的实时性以及可靠性有效性均较高，以某工业园区采集点为例，烟气数据采集数据见表1。

表1 烟气数据采集表Tab.1 Data acquisition table of flue gas

通过数据发现，同一时间物联数据与现场实测数据基本一致，误差基本在检测系统误差内，采集系统采集数据稳定可靠。3 d统计结果平均维修时间小于8 min，平均无故障时间高于71 h。

5 结论

烟气管理系统采用B/S模式，将Java EE技术、数据库管理充分运用，完成了整体系统、多重搭建、广泛使用的管理模式。更有效地加快物联数据上载，各级采集点与数据中心之间的联系沟通，对于这之间传递的信息也能有效降低拖延和失真。同时管理系统采用的Java EE技术，使得系统具有很好的可移植性，同时也提高了数据的安全性，使得数据更加安全可靠。对于工业企业烟气采集应用此管理系统不仅可以提升工业企业烟气数据的采集效率，同时还将增强了各采集点之间的协同能力，有效地提高了工业烟气数据的可靠性和安全性。工业企业的烟气数据管理系统的组建也是顺应信息技术发展的趋势，满足增强工业烟气数据管理能力的需求。