基于ARM+OneNET云平台的工厂车间环境监控系统设计

2022-11-22吴繁森

物联网技术 2022年11期

吴繁森

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

近些年，制造业的智能化发展倍受推崇，物联网技术的发展也为工厂智能化提供了技术支持[1-3]。工厂车间的工作环境复杂，且人流量较大，车间中的环境变化影响着工人的工作效率和生产安全，如不适宜的灯光会使得工作人员产生视觉疲劳，化工材料加工车间的有毒气体严重威胁着人们的身体健康。因此对工厂车间的关键环境因素进行实时监测十分必要。本文设计了基于ARM+OneNET云平台的工厂车间环境监控系统，针对工厂内温度、湿度、光线和空气质量进行实时监测，并上传至OneNET云平台。管理人员可以了解到工厂车间内环境变化情况和设备的运行情况。此系统智能化程度高、可拓展性强，在实际应用中有着重要意义。

1 总体设计

本系统由主控芯片、检测模块、控制模块、通信模块和OneNET云平台组成。检测模块由各环境传感器组成，包括温湿度传感器、光照强度传感器、空气质量传感器。控制模块主要依据环境参数变化实现对车间内日光灯、空调、加湿器、蜂鸣器的控制。通信模块将数据上传到云平台，实现数据的远程监测。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

检测模块将获取的车间环境信息，包括温度、湿度、光强、空气质量，传递给主控芯片，主控芯片根据接收的环境参数来决策控制模块的动作，并将数据通过通信模块上传至OneNET云平台。

2 硬件设计

本系统硬件由STM32主控芯片、复位电路、晶振电路、温湿度传感器模块、光强传感器模块、空气质量传感器模块、通信模块、继电器、蜂鸣器组成。硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路

2.1 主控芯片及外围电路

本系统选用的主控芯片为STM32F103VET6，该款芯片包含100个引脚，工作频率可达72 MHz；其内部资源十分丰富，包含多个ADC、定时器和通信接口，可满足不同情况下的使用需求。在主控芯片基础上设置了复位电路，当复位按键按下时会重置内部寄存器以及片内SRAM。晶振是整个单片机系统的心脏，系统选用8 MHz的晶振提供时钟信号。

2.2 温湿度传感器

为实时监测工厂内温湿度的变化情况，选择了DHT11作为温湿度传感器。DHT11由电阻式感湿单元和NTC测温元件组成，输出标准数字信号量[4]，具有体积小、功耗低、稳定性高、数据精准、使用方便等优点[5]。

2.3 光强传感器

选用GY-30光强传感器模块来检测车间内环境光变化，该模块以BH1750FVI为核心，感光范围可达1～65535 lx；其内部的光电二极管检测到光模拟量，再由模块内部ADC转换为数字量，直接通过I2C总线与主控制器通信[6]。该款传感器适用范围广泛、分辨率高、可靠性强。

2.4 空气质量传感器

本系统选用MQ-135传感器来检测工厂内空气质量。该传感器输出端口有两个，分别是DO和AO，其中DO用于输出数字量，AO用于输出模拟量。当被检测环境的空气质量达到阈值时，MQ-135的DO输出高电平。AO输出的模拟量连接到主控制器上的ADC模块来读取数据。当MQ-135检测数据超出设定阈值时，可触发蜂鸣器报警。

2.5 通信模块

本设计通过WiFi网络将数据上传到OneNET云平台，ESP8266模块通过TCP/IP协议完成数据到WiFi信号的转换[7]。ESP8266可通过AT指令来实现不同工作模式的转换，一般分AP、STA、AP+STA三种工作模式。该传感器性能稳定、能耗低、集成度高，非常适合于工厂环境使用。

2.6 继电器

为改善工厂内的环境，需要远程对车间内的部分电器如空调、加湿器、日光灯进行控制，而单片机无法直接对这些大功率电器进行控制。因此，在本设计中使用继电器实现单片机对大功率电器的控制。通过主控芯片控制继电器的通断，进而完成车间内大功率设备的开启与关闭，实现弱电对于强电的控制[8]。

3 软件设计

3.1 OneNET云平台搭建

OneNET云平台由中国移动提供[9]，使用便捷，只需在添加产品时选择联网方式和设备接入协议以及其他产品信息。本系统基于MQTT协议以WiFi联网方式与OneNET平台进行通信。MQTT协议基于TCP/IP协议，具有轻量化、成本低、开放性强等特点，被广泛应用于物联网中[10]。将各传感器读取到的数据按照固定的报文格式进行封装后，发送至OneNET平台。

3.2 WiFi通信模块程序设计

当系统上电后，按下复位键，即可开始对WiFi模块进行配置并与OneNET云平台进行连接。程序通过AT指令完成以下功能：设置SAT模式、连接路由器、进入透传模式、连接服务器。

3.3 程序功能设计

传感器模块实时采集工厂车间内环境信息，并将数据实时上传至云平台。系统启动时，按下复位按键，开始连接无线网络和服务器，同时各传感器模块开始采集数据。当光强传感器检测数值低于或高于阈值时（设置为300 lx），主控制芯片打开车间内灯光。当温度高于或低于设定阈值时（设置为低温20 ℃，高温30 ℃），打开空调或关闭空调进行温度调节。当湿度高于或低于阈值时（设置为30%），打开或关闭加湿器；当空气质量传感器检测数据高于阈值时（设置为3 000），触发蜂鸣器报警。在OneNET云平台上也可实时观察各可控设备的开关状态。程序流程如图3所示。