基于云计算技术的智能环境监控系统设计

赵英　王蓉

摘 要 针对目前环境检测控制的本地控制弊端，提出利用云计算服务平台进行远程智能环境监控。通过传感器实时采集室内的气压、温度等被检测量，当某一个参数被探测为超出标准时，控制系统采用无线通信方式自动控制相应的外围设备进行相应的安全防范操作，同时配备手机APP实现远程检测和控制。测量环境通风范围0～2m/s。

关键词 云计算技术 智能环境监控系统 工业以太网

0 引言

当前，国内外对于供电部门、水质污染、安全隐患提出了无线视频监控系统解决方案，相关论文较多，但将计算机、无线通信、智能控制等技术综合的运用，做成专用无线自动传信控制器应用到工业生产环境监测控制中还不多，对企业生产中烟雾、有毒气体、风速、粉尘等原因造成的环境污染、资源浪费进行自动监测的研究和产品更是不多。国外工业生产环境监控体系对我国工业生产中起到了推动的作用，也为我国监控系统的建立提供了参考作用，但国外环境监控系统均是综合型體系，这些系统存在如下问题：（1）性价比低，即系统价格过高，难以承受；（2）管理系统软件在文档处理上有些不符合中国国情；（3）系统体积、重量比较大；（4）升级维护困难；（5）管理模式落后。

目前环境监测控制系统在国内尚属刚刚起步，传统的环境监测控制仅仅是本地监控控制，无法将数据汇总到互联网大数据中。

本系统完成了从本地监测到远程监控、控制的一系列功能，未来不仅应用于工业生产室内环境的监控，也可拓展至工业室外自然环境、社区、家庭、室内等多领域应用。与传统工业环境监测控制设备相较，本设计主要有以下优势：（1）智能控制室内环境的风速压力，不论外部环境如何改变（例如开窗、开门等操作），系统智能调节风速，当有人工作时，风速会稳定在一个安全值，当监测到厂房没人时，系统将以一个低功耗模式工作。始终将厂房风速维持在一个稳定的值，既能保证一个安全的通风风速，也杜绝了风速过大而造成的资源浪费。（2）环境监控系统不仅仅能本地智能控制，而且采用无线通信方式，实现远程智能控制。管理人员仅需一台能上网的电脑，打开浏览器就能实现对每一个厂房、每一台设备的监控以及控制。同时还有配套的手机APP实现远程监控和控制。

1 系统结构

系统利用STM32、无线通信、无线传感TEEN协议和智能控制等技术的综合运用，引进物联网、云计算和模拟仿真核心技术，研制一套研制工业生产环境智能监控和专用软件系统，在实现工业现场烟雾、有毒气体、风机风速、粉尘等数据的在线检测、传信、监控、显示、报警等，并自动控制风阀排出有毒气体、粉尘等，对各个厂房环境进行远程监控、远程控制。系统主要由三大部分组成：

（1）端采集设备：包括粉尘浓度、空气湿度、有害气体浓度等各类数。据采集终端，由M2M通信模块将获取的环境数据传送到采集设备。

（2）集中控制器：M2M通信模块可自动管理终端采集设备网络中的子节点路由；中央处理器模块完成对传感器的信息收集、处理，并可根据预警模型自动触发指令控制外围设备进行相应的操作，信息数据展示在控制器液晶屏，并通过RJ-45网络端口发送到指定的远程云端管理系统。

（3）基于云计算架构的管理系统：可管理多个集中控制器传送的环境数据，远程连接集中控制器实时采集、监控、控制不同区域的各个终端。

2 硬件设计

如图1所示，系统硬件主要包括传感器采集终端和网络集中控制器。传感器采集终端选用温度、CO气体、光敏、粉尘浓度、火焰等相应的传感器，各个传感器分别搭载一个Zigbee节点模块作为一个数据收集终端设备，当传感器采集数据后，由Zigbee节点模块上的处理器按照上传到协调器。Zigbee节点模块采用STM32F10X片上系统芯片，利用芯片上的A/D模块和I/O接口与传感器连接。

为将不同传感器与CC2530芯片相连，硬件设计上采用统一的可插拔式模块化设计接口：a）可与开关量传感器直接相连的IO口；b）可与模拟量传感器相连的ADC接口；c）I2C接口。

网络集中控制器主要包括Zigbee协调器模块、网络接口模块（有线/无线WIFI）。

3 软件设计

传感器采集终端使用TI公司成熟的Zigbee协议栈Z-Stack，其优势是低功耗状态下可实现自组织管理Zigbee网络，在同一网络中，可借由路由器节点容纳多达65535个节点，对于大型的室内环境且传感器节点较多的场合非常适用。[1]

如图2所示为Zigbee网络示意图，其中黑色为协调器，红色为路由器，白色为终端设备。可见一个Zigbee网络中只有一个协调器。

网络集中管理器作为Zigbee体系的协调器，负责组建和管理Zigbee体系，并收集环境数据。同时作为上层服务器应用的数据接口，将收集的环境数据通过统一的数据协议格式发送给服务器。

服务器软件设计主要负责传感器数据的存储、分析和处理，包括后台数据库和应用服务软件。应用服务软件的任务包括：分析任一节点上报的传感器数据，与正常范围进行比较，若超出安全阈值则触发安全警报；记录下任一节点上报的传感器数据，绘制环境变化曲线图供用户查看与分析；控制室内的安全措施装置，包括消防安全水筏、通风换气筏、电器电路系统等。

4 结语

智能室内监控系统是目前高速发展的物联网应用技术的应用产品，通过合理地部署传感器终端采集数据，再利用网络通信上传到后台云服务器中心进行数据分析和处理，实现了物联网“端-管-云”三个层次的综合应用。系统根据企业生产设备现场的各类烟雾、有毒气体、粉尘、风速等环境参量进行在线检测、传信、监控、显示、报警等，设计出性价比高的各不相同的专用工业生产环境监测系统，从而形成完整可用的工业生产环境智能监控系统，具有连续性、在线性、实时性、唯一性，并能自动传递各种检测信息，传输范围大等特点。满足工业生产现场对环境信息监测的需求，对推进环保、保障人类健康，节约能源，构建和谐社会有着极大的意义。

参考文献

[1] Texas Instruments，Inc.，Z-Stack Developers Guide，2012，Chapter2.