基于ARM的智能车间环境监测系统

卢爱红，卓 云，杨佳奇

（苏州经贸职业技术学院信息技术系，苏州 215009）

0 引言

传统的环境监测主要依靠人工监测，消耗成本高。我国对室内环境监测起步较晚，从上世纪末开始引入国外技术，但有些技术并不完全适用于我国的实际情况。现在随着科学技术的创新与物联网技术的不断发展，我国在物联网环境监测方面取得了阶段性的成功，以传感器、云计算和大数据为基础的相关环境监测应用研究成为研究重点。

目前，我国正处于工业化进程加速发展的时期，现行的工作车间对环境的要求越发严苛。为改善不同车间的环境状况，针对各类车间搭建智能化环境监测与控制系统势在必行。对于有严格环境区间标准要求的各类特殊制造业车间，为了有效减少其工作环境的污染以及设备出现故障的几率，各车间的环境监测系统皆采用配备空气净化仪器以及大型空调的方案。但是，现有的车间环境监测系统存在以下两方面问题：一是不能广泛应用于不同类型车间、产品适用对象单一；二是长时间运行各类设备，导致监测成本高、设备故障率高以及工作效率低。复杂的车间环境传感器组网是亟待解决的问题。在环境监测系统中，数据网络组建技术一般要具备：自动组网功能、稳定可靠数据传输等性能；同时要适应用户的个性化环境定制需求。灵活的组网方式、低成本的控制、低能量的消耗、较高的传输安全性是无线传感网络所必须具备的。无线ZigBee 组网因其具有低功耗、连接设备多、安全性高的特点，获得了广泛青睐，能够很好地适应车间环境的组网定制化需求。智能车间监测系统具有方便、安全、智能等特点，对于改善车间环境给工人及管理人员带来安全的工作空间具有十分重要的意义。设计一款易用、高效、便捷、智能化、友好的智能车间监测系统符合市场需求。智能车间环境监测系统的设计，结合了最新的传感网组网、人工智能预测与远程控制的现代信息处理技术，顺应物联网技术发展的潮流和趋势。

针对以上情况，创新性地将物联网技术运用在智能环境监测与控制系统中，研究基于无线ZigBee 网络的智能环境监测系统，建立远程实时监控体系，构建一个完善的设备与环境监控平台，满足不同车间个性化需求，从技术方法以及技术手段上加强监督力度，改善当前国内中小企业智能制造车间环境治理的现状，大大减少了环境优化所需的人力物力。为研制基于ARM的车间智能环境监测系统带来极大便捷。

1 系统要求与整体设计

车间智能监控系统通过结合ZigBee 组网方式构建传感器网络技术［1］，实现基于ZigBee 网络的不同车间智能数据采集控制的一体化装置。系统在逻辑上可以分为前端、中段和移动终端三部分。前端部分由生产设备工作参数数据采集模块、车间环境参数数据采集模块、风扇、空调以及空气净化器执行器等模块组成。中段是实现传感器网络组网，并与Internet 网络通信的功能。后端的移动终端控制界面显示车间环境、环境设备工作状态和生产设备工作状态。系统组成如图1所示。

图1 系统基本组成

移动终端实时采集车间环境中的传感器参数，并在手机或者pad等移动终端显示主要监测因子的监测值，并根据后台服务器对周期监测的数据进行存储和分析，显示后台服务器对车间的环境设备进行控制操作的情况。环境监测5分钟一次（测试时用3秒作为一周期）。以管理者身份进入管理车间时，可监测车间内生产设备的状态，当系统监测到车间生产设备故障，会做出简单决策，并及时通知用户［2］。

1.1 前端设计

前端系统利用温湿度、光感、PM2.5、烟雾器等传感器等多样化的信息感知手段，全面获取车间所需监控的各种原始数据。多个传感器节点组成ZigBee 传感器网络，网络应用层采用自主研发的协议。车间环境分成多个相对独立的区域，每个区域的传感器节点组成相对独立的网络，不同的传感器网络用不同的网络号区分，每个区域通过协调器与智能网关通信。协调器负责区域网络的管理和维护。智能网关完成整个传感器网络的通信管理，是传感器网络与Internet 网络通信的接口，并实现传感器网络与后台的通信服务器的双向通信。

不同的传感器节点检测车间环境的状态，包括温度、 湿度、 光照， 以及对周围环境PM2.5、烟尘的测量。

对于传感器周围环境的检测，主要涉及以下三点：

（1）温度/湿度测量。测量终端设备环境的温度和湿度，异常高温时报警，并监测设备对环境高湿度的处理能力。

（2）光感测量。测量终端设备环境的光强度，监测设备根据光线自动调节照明的处理能力。

（3）PM2.5、烟尘测量等。测量终端设备环境的粉尘等有害物质的浓度，监测执行器对粉尘的处理能力。

传感器设备控制器系统框图如图2所示。

图2 传感器设备控制器系统

其中主控芯片和增强型射频天线做成一个模块，其他部分设计成底板，两者之间通过接口相连，提供了系统的可靠性和通用性。因此，只需要根据空气净化传感器设备的不同类型，更换其中的底板部分即可，而RF 通信模块部分不需要更改。

1.2 中段设计

多层次数据融合传输系统将前端信息感知系统获取的数据进行应用分析并根据用户使用权限将其进行分层管理，通过ZigBee 网络将数据分层次向具有不同权限的用户进行发送，为后端服务器提供真实、准确、大量的现场数据。

为了缩短本系统的开发周期，将更多精力投入在数据的稳定、实时传输上，在主控器以及终端节点中使用了轻量级MQX 操作系统（MQX⁃Lite）。该操作系统的应用，使应用层数据能够实现存储、备份和分析，为后台分析数据提供了条件。

在系统的中段，需重点解决的问题是：为不同类型数据定制不同的传输机制、数据交换的标准和操作规范。

1.3 后端设计

搭建一个云平台服务。服务器为了能够满足各类物联网应用系统，其必须满足以下四个条件：

（1）具有处理大规模数据的能力；

（2）服务的可持续性、可扩展性以及可靠性；

（3）能够保障数据完整性和隐私安全；

（4）利用云计算数据实现对传感器数据的分析与监测，提供可靠的数据分析，利用云计算数据反馈，实现对产品的持续改进，采用云计算统计产品运行过程的故障类型，及时消除安全隐患，保证车间的财产安全。

本系统充分分析数据共性，进行数据接口抽象，以便实现与云计算平台业务对接及实时数据汇总至数据资源中心。客户可以通过任何连入Internet 的设备，方便快捷地控制各个设备的实时状态，利用各种图表进行数据分析，实现基于无线ZigBee 网络的不同车间智能数据采集控制的一体化装置［3］。其中需重点解决并实现的问题是：使用已有的数据处理平台，实现跨平台的云平台服务，为理论研究及决策提供稳定、真实的数据基础。后台服务器首先寻找出系统符合生产环境指标的区域，进而得出对应工况下的传感器设备运行参数值。根据此参数，通过内置的控制算法使车间智能环境监测系统逐渐接近最佳运行参数，使系统整体运行符合生产环境指标。

Android 应用程序利用Java 语言完成报警时间设定、温湿度光照报警阈值设定以及PM2.5报警阈值设定，实现远程人员监控及数据可视化处理。Android移动终端界面如图3所示［4］。

图3 管理车间模块

2 结语

为改善车间的环境状况，智能监控车间环境将是今后中国工业经济发展的必然选择［5］。同时，环境监控技术的水平，将直接关系到环境监督管理的有效性［6］。

针对传统工业环境监测设备存在灵活性差、噪音强、效率低、模组孤立运行、未接入互联网等问题，通过研究基于人工智能的智慧车间监测环境优化方案，实现车间设备与环境节能环保系统。项目在无线ZigBee 网络构建的传感器网络的基础上，采用云服务器对海量传感器样本数据进行分析，对厂房中的各个执行传感器给出最优的决策判断，从而实现加工厂环境的各个传感器自主调优。结合Android 应用开发，实现操作界面可视化以及远程操控，为不同车间的工作环境提供个性化监测系统，为车间工作安全和环境质量提供保障，形成完善的车间环境智能监测物联网应用系统。