基于物联网和云计算的工业废气监控系统研究

邵星++王翠香++陈伟++张永平

摘要：工业企业由于生产工艺等因素制约，在生产过程中容易产生大量污染气体，对生态环境、居民健康具有较大影响。提出基于物联网和云计算的工业废气智能监控系统。该系统利用物联网技术，感知和监测工业废气数据；利用云计算技术，存储和处理采集得到工业废气数据；利用数据挖掘技术，对采集到的大量工业废气数据进行分析与挖掘，寻找工业废气数据的规律，为污染气体控制与治理提供决策支撑。

关键词：物联网；云计算；工业废气；智能监控

中图分类号：TP319

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.012

0 引言

工业是第二产业的重要组成部分，对国民经济具有重要的基础性支撑作用。当前一些工业企业受到材料性质、工艺水平以及生产技术的限制，生产过程中容易产生大量污染，尤其是污染气体，主要有NOx、CO、C0₂、S0₂等。这些废气的排放，容易造成雾霾等问题，对人们身体健康、农作物的生长等都有较大危害。

近年来，随着环境问题的日益突出和人们环保意识的增强，国家提出转变经济增长方式、调整经济产业结构、以创新驱动发展、减少经济增长对环境的影响。为了响应国家号召，工业企业需要减少污染物的排放、实现绿色生产。但要对工业生产过程中产生的空气污染进行防治，涉及到的首要问题是污染气体的监测、预警和控制。只有获得了精确的污染气体数据，才能够精确地分析空气污染程度、污染气体成分、污染的时间波动等情况，为寻求有效的空气污染的预警和控制措施提供数据支撑。因此，对工业生产中产生的污染气体进行精确监测、预警和控制，对于治理工业生产产生的空气污染、保护环境、实现绿色生产具有重要意义。

近年来，物联网和云计算技术的发展，给工业废气监测技术的发展带来了新的契机。

物联网通过传感器、射频识别实现物物相联，最终实现对物体的智能识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网实现人们对物理世界更加透彻和深入的感知，在工业、农业、物流等领域有广阔的应用前景，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作。云计算可以为人们提供按需、低廉的计算和存储服务，也为处理大数据提供了支撑平台，在软件服务、数据据算方面具有较好的应用前景。

物联网和云计算都是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。由于物联网和云计算技术的巨大潜力，被国家列入战略性新兴产业，被国家和社会各界广泛关注和大力支持发展。

基于物联网和云计算的技术优势，本文提出基于物联网和云计算的工业废气智能监测、预警和控制的智能系统。该系统利用物联网技术，感知和检测工业废气的实时数据；利用云计算技术，存储和处理采集得到工业废气数据；利用数据处理和数据挖掘技术，对采集到的大量工业废气数据进行分析与挖掘，寻找污染物数据的规律，为工业废气治理和控制提供智慧支撑。

将物联网和云计算应用于工业生产中废气的监测、预警和处理，可以为工业生产企业提供污染物的精确数据，为防控做数据支撑，实现污染物减排和绿色生产；同时也是物联网和云计算技术在工业污染监控中的具体应用，符合国家支持发展战略性新兴产业的政策。因此设计基于物联网和云计算的工业废气智能监管系统具有重要实际意义。

l 基于物联网和云计算的工业废气监控系统架构设计

基于物联网和云计算的工业废气智能监控系统架构，主要对系统的整体拓扑结构、功能结构进行设计，为系统的整体设计与实现，进行规划。

基于物联网和云计算的工业废气智能监控系统，实施的目标是建立一个覆盖工业生产企业的工业废气智能监测、预警和控制系统，主要包括3个方面：基于物联网的工业废气的采集、基于云计算平台的工业废气数据的存储和快速处理、基于数据挖掘的工业废气数据的智能处理。

基于物联网和云计算的工业废气智能监控系统拓扑结构图如图1所示。在工厂区域内，通过部署大规模多类型的无线传感器节点，来感知多种类型的工业废气的状况，如CO、SOx、NOx等污染气体的浓度等。无线传感器节点之间通过Zigbee协议自组织形成无线多跳网络。每个传感器节点将采集到的废气数据发给汇聚节点（Sink节点）。无线传感器网络是物联网的核心技术之一。工厂区域的无线传感器网络，构成了基于物联网的工业废气监测子系统。通过无线传感器网络采集到的工业废气数据通过汇聚节点发送给网关，并经由网关节点和Internet上传到云计算平台。云计算平台对采集得到的工业废气数据进行存储和处理，并利用数据挖掘算法对工业废气数据进行分析，发现工业废气数据的规律，为废气治理和管控提供决策依据。云计算存储的工业废气数据和通过数据处理算法处理的结果，可以通过Internet向普通的用户提供查询和预警服务。普通用户既可以采取有线PC联网的方式访问，也可以使用手机或平板电脑等移动终端通过3G/4G移动通信网访问相关服务。即云计算平台可以向用户提供应用服务。

2 基于物联网和云计算的工业废气监控系统设计

2.1 基于物联网的工业废气监测子系统设计

在工业废气监测子系统中，采用无线传感器节点对工业废气进行监测。每个无线传感器节点分为处理器模块、能量供应模块、传感器模块和无线收发模块，如图2所示。

在处理器模块和无线收发模块方面，采用美国德州仪器公司研发的Zigbee射频芯片CC2530。由于CC2530芯片是一种片上系统，内部集成了51单片机内核和一个射频模块，则将处理器模块和无线收发模块两者进行了集成。能量供应模块采用3节1.5V的电池为整个传感器节点供电。由于工业废气涉及的种类较多，如C0、SOx、NOx等。传感器模块方面，考虑在一个传感器节点上搭载至少3种类型的传感器，如一个传感器节点上搭载CO传感器、NO传感器、S02传感器，通过增加单个传感器节点上传感器的数量和种类，提高传感器节点的使用效率。

CC2530的射频模块遵循Zigbee协议，则无线传感器节点之间可以通过Zigbee协议白组织形成无线多跳网络。无线传感器节点构成的Zigbee网络中的协调器节点，就是无线传感器网络中的汇聚节点。所有传感器节点将采集到的废气数据发给汇聚节点，汇聚节点再发给网关。网关将受到的废气感知数据进行协议转换，转发给连接Intemet的云计算平台。

2.2 面向工业废气监控的云计算平台设计

云计算平台负责整个系统中，无线传感器节点采集到的工业废气数据的存储和处理，直接与用户的应用相关。云计算平台，既可以依据企业需求，搭建成为一个工业企业内部的私有云，负责该企业内部工业废气数据的存储和处理；也可以搭建为一个公有云，建立一个公共的工业废气存储和处理的云计算平台，面向众多的工业企业提供服务。面向物联网工业废气监测的云计算平台架构如图3所示。

为此，云计算平台采用IaaS的方式构建。首先，通过部署相关的服务器、存储设备、网络及安全设备，搭建底层硬件平台。然后，通过计算资源虚拟化、存储资源虚拟化和网络资源虚拟化，实现云平台资源的虚拟化管理，构成云计算IaaS平台。

在IaaS云计算基础平台上，构建工业废气存储服务和工业废气大数据服务，向应用层提供服务。这些服务，向用户屏蔽了工业废气数据的存储和处理细节，用户可以直接通过云计算平台提供的相关服务实现对工业废气数据的各种访问和使用。

工业废气感知数据的存储由相应的云计算存储功能实现，大数据处理服务可以对采集得到的工业废气数据，依据一定的算法进行数据挖掘分析，分析工业废气数据中的规律和深层次的知识，为用户改进生产工艺、减少废气排放提供决策建议和依据。

而用户访问云计算平台服务的方式，可以通过传统的PC连接Internet的方式访问，也可通过平板电脑或手机连接3G/4G等移动互联网的方式访问，从而丰富和便利用户的使用和访问。

3 结束语

本文提出将物联网和云计算平台结合，并应用到工业企业的废气监测中。利用物联网技术，采集和传输工业企业产生的废气情况。云计算平台对物联网采集得到的工业废气数据进行存储和数据挖掘，为工业企业进行废气监管和减排提供决策建议和依据。该系统可以提高工业生产企业对工业废气监管的自动化和智能化水平，对促进工业企业减少污染气体排放、实现绿色生产具有重要意义。