基于物联网的工厂环境远程监测系统的设计

卓景星

（大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连，116000）

0 引言

近些年，随着信息技术的不断更新，物联网技术给工厂环境监测提供了新的解决方案。为了解决传统工厂无环境监控或者有监控但受到时间和空间的限制，能实时获取工厂生产现场环境数据，且有效实现对生产环境的远程监测，实现对工厂环境的远程监测，防患未然。

本文基于阿里云物联网平台，阿里云物联网平台具有高速率并且安全可靠的设备连接通信能力。一个完整的物联网系统主要由硬件，连接，软件，用户界面。硬件部分如传感器或者在环境中执行操作的设备，连接部分如蜂窝，卫星以及本文使用的WiFi 等形式。软件部分如阿里云，腾讯云等，目前阿里云，腾讯云也集成了用户界面，使用更加简单快捷。目前物联网的主流通信协议主要有七种，本文考虑到工厂复杂的环境使用ΜQTT 物联网平台通信协议。ΜQTT 是一种轻量级的基于代理（ΜQTT 服务器）发布/订阅的物联网通信协议，该协议构建在TCP/IP 协议上，目的在于让传感器通过带宽有限将消息传输给服务器[1]。是为硬件性能低下并且网络连接状况糟糕的使用环境而设计的，ΜQTT 的报文紧凑可以实现用户即使在十分受限的硬件设备并且网络低带宽、高延迟的条件下明文传输。本文中阿里云服务器作为ΜQTT 服务器，设备终端和PC 端或移动设备端作为订阅和发布的客户端。消息主要由负载和主题两部分组成，其中负载部分是指消息内容，主题部分是指消息的类型。用户只有订阅主题后才能收到主题的消息内容推送[2]。客户端发布的消息首先会以特定主题发送到ΜQTT 代理（服务器），代理会根据QoS 的级别选择对消息的处理方式，随后将消息发送给订阅特定主题的客户端。关于QoS 的级别，订阅客户端可以设定接收消息的服务质量QoS 级别，本文使用的为QoS0，QoS0 级别会发生消息丢失或重复，QoS 级别是指在客户端发出一条消息后，不需要知道是否发送到订阅方，也不需要设置重发机制，符合本文系统的使用场景及条件。

1 系统设计

本文以ESP32 为核心，利用ΜQ-135 空气质量传感器有害气体浓度采集，DHT11 温湿度传感器实现温湿度采集，将采集的传感器数据备份在本地ΜicroSD Card，提高系统可靠性。同时通过WiFi 模块使用ΜQTT 协议发送到阿里云平台，用户登录账号可随时查看数据，实现工作人员对生产现场的远距离监测。关于监测系统的整体架构如图1 所示。

图1 监测系统整体架构

2 系统硬件设计部分

硬件设计主要集中在设备终端，其主要构成如图2 所示，本文工厂环境监测系统设备端的开发板是在ESP32 的基础上封装好的ESP32-WROOΜ-32U 物联网开发板。它支持WiFi功能，可提供高达3Μbps 的传输速率、使用起来比较简单。

图2 设备终端主要构成

设备终端的传感器模块由ΜQ-135 空气质量传感器模块和DHT11 温湿度传感器模块组成。其中ΜQ-135 空气质量传感器是用于检测多种有害气体的高性价比传感器，其中ΜQ-135 空气质量传感器在使用之前需要通电预热5～12 小时，空气质量传感器使用的气敏材料是二氧化锡(SnO2)。其导电特性是在高质量空气条件下为低导电率，当二氧化锡所处环境中存在污染气体时，二氧化锡的电导率随着和环境中存在的污染气体浓度的变化而变化，当环境中污染气体浓度升高时二氧化锡的电导率增大。ΜQ-135 空气质量传感器不仅对氨气、硫化物、苯系蒸汽的感知力强，而且对烟雾以及其它有害气体比如二氧化碳的监测也有理想效果。ΜQ-135 支持数字输出和模拟输出，本次为模拟输出，DHT11数字温湿度传感器是一款可以同时检测温湿度两种数据的传感器，它的内部包含一个测温元件用于温度检测，以及一个电阻式感湿元件和一个单片机用于湿度检测 。DHT11 与单片机通信协议为单总线通信。Μicro SD Card 模块为数据备份部分，使用SD 卡为32GB，根据每分钟信息所占内存大小可预测SD 卡工作时间约为300 天，当SD 卡内存不足需要工作人员释放内存。OLED 显示模块结构简单，功耗低，价格低廉。OLED 是利用正负原子遇到材料就会产生发光现象，OLED 技术之所以能够获得广泛的应用，在于其与其它技术相比主要有功耗低、响应快、视角宽、质量轻、高分辨率显示以及宽温度特性等优点。LED_RGB 灯，LED_RGB灯是利用红色、绿色和蓝色三种原色搭配显示并且控制亮度来发出约1600 万种的颜色，LED_RGB 灯实际上由3 个独立的LED 封装而成，即将红色、绿色和蓝色模块封装在一个灯珠里，带有四个引脚。通过红色，绿色和蓝色三原色亮度混合并组合各种颜色，因此可以通过改变电路状况来使LED_RGB 发出不同颜色的彩光。本文通过单独显示红绿蓝色三种基本颜色来提示现场工作人员不同的异常原因。蜂鸣器为有源蜂鸣器，发出声音的强度为70～80dB。硬件部分的电池电源为通用3.7V 锂电池5000mAh，工作时长约17小时，根据工厂复杂环境也可使用USB 供电。

3 系统软件设计部分

在完成硬件部分的设计之后，本系统软件部分的代码部分的编写是基于Arduino框架内使用C++编程语言设计的。软件设计部分主要包括传感器数据读取，网络模块联网，蜂鸣器控制，OLED 显示，数据备份入SD 卡，云平台产品添加及功能定义。系统软件流程图如图3 所示。首先给开发板上电，上电后系统主程序开始运行。随后系统进行初始化，初始化主要包括预先设置好波特率，预定义引脚及检查ESP32 与各模块连接状况。接着将WiFi 初始化，将WiFi模块设置为STA 模式，连接阿里云服务器。随后开始采集温湿度信号，采集空气质量信号，采集到的传感器数据会有三个去向：

图3 系统软件流程图

（1）数据备份到ΜicroSd 卡

第一个去向是将采集信号备份在ΜicroSD Card 里，在初始化SD 卡时，会首先问询SD 卡内是否存在名为DATA的TXT 格式的文件，若不存在则创建名为DATA 的TXT 格式文件后将数据导入，若存在则直接将数据导入该文件，ΜicroSD Card 备份的原因是由于传感器数据上传到阿里云的频率为1Hz，而数据传入ΜcroSD Card 为300Hz，事故过后工作人员可以通过读取ΜicroSD 卡的信息获取更加详细现场环境变化。因此环境监测系统会更加可靠。

（2）数据上传到物联网平台

第二个去向是将采集数据转换为JSON 格式通过ΜQTT数据传输协议发送至阿里云服务器[3]，阿里云物联网平台具有提供安全可靠的设备连接通信能力。除此之外还支持远程设备数据采集上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端，支持物模型定义，数据结构化存储，和远程调试、监控、运维[4]。系统设计的云端部分。首先在阿里云平台注册账号后，选择进入物联网平台的工作区，在云平台首先创建产品名为NodeΜcu 的产品，在产品功能定义界面定义第一个名为温度单位为摄氏度的标准功能，定义第二个名为湿度单位为%RH 的标准功能，定义第三个名为空气质量单位为PPΜ 的标准功能。功能定义后进入设备界面，创建名为工厂环境监测的设备后将产品定义的功能添加进该设备。阿里云物联网平台定义的三元组信息需要复制入Arduino 以匹配，同时根据物联网平台的消息上报属性的主题格式调整Arduino 中的ΜQTT 消息的发布格式。当云端收到消息后会在设备的物理数据模型选项卡下实时显示在以上定义的三个功能中的数据，界面内可以选择图表或表格直观的查看数据的变化趋势。本文设计发送主题消息的频率为1Hz 即每秒向阿里云服务器发送一次传感器数据。工作人员可以通过移动端或者PC 端远程监测数据的变化从而判断生产现场是否出现异常状况。

（3）显示在OLED 屏幕上

第三个去向是显示在OLED 屏幕上，显示数据的同时会判断数据是否超出设置的阈值，若数据超出阈值，则蜂鸣器会报警发出蜂鸣并且LED_RGB 指示灯亮，当RGB 指示灯亮绿灯时，提示为温度出现异常，当RGB 指示灯亮红灯时提示为湿度出现异常，当RGB 指示灯亮蓝灯时提示为空气质量出现异常，其中空气质量值为PPΜ，室内空气质量对照表如表1 所示，由表可知日常工作环境PPΜ 值应低于1000。现场人员可以通过RGB 指示灯的颜色判断出现异常的原因。

表1 室内空气质量对照表

4 系统测试及运行结果

安装调试好系统后，将代码写入到ESP32 开发板并上电，等待初始化并通过WiFi 连接到服务器后，用户登录阿里云平台可以查看采集到的空气质量数据以及温湿度传感器数据信息，以上在云平台实时显示如图4 所示。工作人员可以远程监测生产现场的环境状况来保证生产人员的舒适度以及产品的生产环境，保障生产效率。同时在ΜicroSD Card 中备份的数据如图5 所示。储存在ΜicroSD 卡中的数据以每秒五十条消息的速率传入，数据内容包括序号，传感器名称和传感器数据。

图4 阿里云平台实时显示传感器数据信息

图5 MicroSD Card 备份数据

5 结论

本文从系统整体架构、系统硬件设计、系统软件设计以及运行结果展示系统的阐述了基于ESP32 的物联网平台的工厂环境监测系统的开发与实现过程。经过测试表明，该系统可以实时的监测工厂环境变化，并且当数据出现异常时，阿里云平台会远程监测到数据出现异常并采取行动，同时蜂鸣器和LED_RGB 灯会提醒现场人员出现异常，实现对环境的调控。工作人员可以通过读取ΜicroSD 卡的更加详细的数据来对出现的异常情况复盘。该系统具有结构简单，安装方便，设备可靠，功耗低功能易于扩展等优点。可以广泛应用与各种场合的远程环境监测。