亚临界水处理秸秆装备的工业物联网系统研究

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(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

近年来，随着农业科学技术的发展和环保理念的普及，人们对于秸秆的处理和回收利用有了更多的研究，一种新型的无害化处理秸秆的装备应运而生。该装备通过亚临界水水解技术处理秸秆，该技术具有绿色环保、反应速率快等特点，已成为生物质废料(秸秆)回收处理方面的研究热点。周剑浩[1]结合现代先进智能控制技术和亚临界水处理有机固废制备有机肥料的生物技术，采用序批式反应釜完成亚临界水处理，实现了有机固废的无害化与智能化处理。赵洋等[2]以亚临界水为溶剂，利用高压反应釜水解大豆皮中的纤维素制备还原糖，并优化了最佳水解条件，使亚临界水水解大豆皮制备还原糖的最高产率达到38.96% 。在工业物联网发展浪潮下，亚临界水处理秸秆装备有待进一步发展，以使得“感知—传输—决策”的过程成为可能；借助物联网云平台，可以实现对设备运行状态的实时数据监测、设备运行历史数据存储和分析等。

1 亚临界水处理秸秆装备

1.1 亚临界水特性及反应机理

亚临界水是指温度介于100 ℃与374 ℃之间、压力足够大并且维持在液体状态下的水。亚临界水具有不同于常规状态的性质，在亚临界状态下，水的介电常数、溶解能力和黏度等都会发生巨大变化[3]。亚临界水的显著特点是其拥有较高的离子积，即高浓度的氢离子和氢氧根离子，使得水既可充当溶剂，也可以酸/碱催化剂的形式或反应物参与化学反应。而在亚临界水中发生的化学反应往往是受酸/碱催化剂催化的，同时高温高压也使得化学反应速率加快。

在降解反应中主要涉及水解反应、热裂解反应和氧化反应。水解反应通常伴随着热裂解反应，温度降低有利于水解反应，极性增加也有利于水解反应，在温度提高时有利于热裂解反应的发生。亚临界水中的水解和热裂解反应往往同时发生，产物与单一的水解和热裂解反应均不同。在亚临界水中的降解反应，特别是在较高温度下，也会出现氧化反应，使得有机化合物可以被彻底氧化，形成二氧化碳和水。而水又经常形成高活性的反应自由基，在亚临界水中发生的氧化反应可以彻底降解一些有毒的有机物废弃物，同时也可以通过控制反应条件来获得某种特定的氧化产物[4]。

1.2 亚临界水处理装备工作原理

该装备利用亚临界水的特性降解秸秆，其工作原理是：将水蒸气注入一个密闭装置内，在容器内制造压力2～2.6 MPa、温度200～225 ℃的环境，通过亚临界状态下水的降解反应，在搅拌器的辅助下将秸秆无害化处理并把残余物堆肥利用。处理装备原理如图1所示。

图1 亚临界水处理秸秆装备原理

a.投料阶段：启动锅炉—开启废料投入阀—投入秸秆—关闭废料投入阀。

b.开始反应阶段：自动开始处理—搅拌机启动—水蒸气进气阀开启。

c.充分反应阶段：水蒸气注入—达到温度压力规定范围—水蒸气注入停止—充分反应(处理完毕)。

d.排气阶段：关闭锅炉—打开排气阀(水蒸气开始排放)。

e.排料阶段：水蒸气排放完毕—打开产品排出阀—产品排出—搅拌机停止—关闭全阀门。

图2 亚临界水处理秸秆装备工作流程

2 物联网系统设计

物联网技术可以打破生产设备间的信息孤岛，将各种信息串联起来，再集中呈现，解决了信息的冗杂，使用户收取重要信息，实现真正的智能制造。在制造业中，工业物联网(IIoT)在设备健康管理、生产过程质量追溯和产品生命周期管理等方面有着巨大的潜力，可以帮助企业实现对生产过程的把控、优化对装备和资源的使用，从而推动生产和运营的智能化。目前，该亚临界水处理秸秆装备存在一些方面的不足，如无法获取生产实时数据以保障设备安全运行及预防性维护等，因此，在该处理装备上采用物联网技术，来提升设备的智能化水平。

2.1 物联网系统整体架构设计

2.1.1 控制模块处理器选择

控制模块主要用于传感器数据的采集和传输，而数据的存储、计算和分析在云端完成，因此控制模块处理器只需要少量的内存和计算能力。ARM公司生产的Cortex-M系列内核是面向嵌入式工业自动化领域的32位MCU架构，具有低成本、低功耗和高性能的优势[5]，因此选用Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片作为控制模块处理器。

注浆管预埋完成7天后进行注浆，注浆水泥用量为每孔2 t，每根桩6 t，水灰比控制在 1∶1~0.6∶1，压力控制在2~4 MPa以内。

2.1.2 无线通信传输方式选择

在工业领域，对于工厂这类特殊的场景，无线通信传输方式的要求是覆盖范围广、传输距离远、稳定可靠并且低功耗。GSM/GPRS即将退网，而 Wi-Fi 和Bluetooth 等短距离通信技术本身带有局限性，3G/4G模组功耗较高，因此，基于蜂窝的窄带宽物联网(NB-IoT)技术已经成为工业物联网的核心体系[6]。

NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，它使用大约 200 kHz 的带宽，支持低于100 kbit/s 速率的数据传输。NB-IoT构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM网络、LTE网络或UMTS网络，以降低部署成本、实现平滑升级；同时NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接，据相关数据显示NB-IoT设备电池寿命可达到至少10年以上[7]。此外，NB-IoT具有极强的覆盖能力，并且在部分恶劣的接收环境中依旧可以实现稳定的通信，满足当前需求；其覆盖能力可达到164 dB，覆盖范围较深，如地下车库、地下管道和地下室等普通信号难以达到的地点均可以实现信号传输。因此，物联网系统的无线通信传输方式选用NB-IoT。

2.1.3 物联网通信协议选择

物联网通信协议是指运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。目前，物联网设备广泛使用的4大实时协议有：XMPP，HTTP，COAP和MQTT，各协议对比如表1所示[8]。

表1 通信协议对比

物联网终端节点一般都是存储和带宽受限的嵌入式设备，只有少量的内存空间和有限的计算能力。

XMPP协议基于XML，对于嵌入式设备来说，XML解析较为困难；而HTTP协议对于嵌入式设备来说属于重量级，需要大量内存。比较适合嵌入式设备就是轻量级的MQTT和CoAP，但CoAP协议的时效性较差。MQTT协议是为计算能力有限、且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，该协议的优势是可以支持所有云平台，并且低带宽、传输效率高，因此选择MQTT协议作为本系统的物联网通信协议。

2.1.4 物联网系统整体架构方案

物联网系统主要涉及数据采集、数据传输、数据存储和数据显示。映射为4层：设备层、采集层、传输层和应用层。基于上文控制模块处理器、无线通信技术和物联网通讯协议的选择，设计如下所述的架构。

a.设备层：采用亚临界水水解技术处理秸秆的装备。

b.采集层：利用相应的传感器和GPS模块，采集亚临界水处理装备内的温度、压强、电机转速以及设备位置信息等。

c.传输层：采用NB-IoT无线通信技术，通过 NB-IoT模组与云平台通信；采集层和传输层的控制模块都是基于STM32。

d.应用层：采集的数据存储在云端，并通过移动端微信小程序实时显示传感器采集的数据和装备的地理位置信息。

物联网系统整体架构如图3所示。该系统的基本功能：可以通过对应传感器获取装备运行过程中的各项参数(包括该设备的位置信息)，并将采集到的数据上传至云平台；云平台提供业务逻辑管理功能，建立数据中心，进行分析预警，同时通过移动端的微信小程序进行远程监控。

图3 物联网系统架构

2.2 实验平台搭建

由图3可知，实验硬件平台包括STM32开发板、传感器、GPS定位模块和NB-IoT无线通信模组。

基于上述框架，搭建了基于STM32F103的硬件实验平台，选用温度传感器、压强传感器、霍尔传感器(电机测速)和GPS/北斗双模定位模块，来采集温度、气压、电机转速和地理位置信息，通过基于华为海思Hi2110芯片内核开发的NB-IoT无线模组BC35-G与阿里云物联网平台连接；传感器数据传输到阿里云服务器，被存储在云端的MySQL数据库中，供进一步分析。硬件实验平台如图4所示。NB-IoT模组如图5所示。

图4 实验硬件平台 图5 BC35-G无线模组

2.3 软件设计与实现

软件系统设计包括硬件驱动层设计、网络设备层设计、网络协议层设计和应用层设计，其结构如图6所示。

图6 软件系统结构

硬件驱动层设计是通过移植来实现功能，网络设备层设计是将BC35-G模组联网的AT指令写入到C语言编写的函数程序中，网络协议层设计涉及基于MQTT协议的数据包的组包和解包，以及与云平台的数据交互接口层设计。

应用层软件设计主要包括移动端微信小程序的开发，使用HTML，CSS和JavaScript语言，利用微信开发者工具结合阿里云MQ规则引擎来进行软件开发。规则引擎的原理是：MQTT协议是基于发布/订阅模式的物联网通信协议，设备通过MQTT协议将传感器数据发布到云服务器的topic1后，数据被编码成JSON格式的字符串，由topic1流转到topic2；微信小程序订阅topic2，会间接收到设备上传的传感器数据；微信小程序后台将从云服务器接收的JSON格式的字符串解析后，通过setData函数把传感器数据渲染到前端页面上显示。传感器数据流转过程如图7所示。

图7 传感器数据流转

2.4 实验结果

在实验中，初步实现在移动端微信小程序上查看实验硬件平台采集的传感器实时数据和位置信息。采集的传感器数据上传至云平台，被存储在MySQL数据库中，在本地PC机上通过数据库管理软件Navicat 远程访问云服务器获取传感器数据表，供进一步分析。数据库存储的部分传感器实验数据如表2所示。

表2 部分传感器实验数据

由表2可知，该装备在运行过程中反应容器内部成功制造了压力2～2.6 MPa、温度200～225 ℃的环境，使水在亚临界状态下能对秸秆产生降解反应,且搅拌器转速滑差率<3%，设备运转平稳。通过目前设计的物联网系统，可以粗略地远程监控设备运行状态。

3 结束语

以提升一种利用亚临界水处理秸秆的环境友好型装备的智能化水平为目的，设计了基于该装备的物联网远程监控系统，成功搭建了软硬件实验平台。主要利用STM32和相应传感器作为数据采集节点，结合窄带宽物联网(NB-IoT)无线通信技术，基于MQTT协议将采集到的数据传送至云平台，存储在云端的MySQL数据库中，并通过移动端微信小程序实时显示，建立了包含数据采集、传输、存储和显示的数据通路，实现了对装备运行状态相关数据的存储和远程监控。