摘要

本火電廠灰霾監測系統由安徽理工大學電氣工程專業的孫昌設計開發完成，通過采用機智云物聯網云平臺，融合Zigbee技術、傳感器技術和4G移動通信技術，實現對火電廠多種污染源的數據采集，污染源分布狀況的實時監測以及網絡共享和數據存儲。與傳統監測設備相比，避免了布線復雜、污染源定位難、監測區域受限制等難題，并在很大程度上減輕了人力物力的投資，為火電廠灰霾的實時監測提供了較高的實用價值。

正文內容

目前，我國灰霾監測站點以國控站點為主且存在著站點設備耗資較大、節點單一等問題。對于諸如火電廠等大型工礦企業的排污監控往往采取較為傳統的人工測量手段，需要相關技術人員依靠工作經驗對監測點進行選址或使用測量精度相對較低的便攜式測量儀器。如此辦法采樣效率低，耗時費力，無法保障數據的準確性、實時性及充分性。本系統設計將物聯網技術應用于火電廠灰霾參數監測系統中，通過基于機智云物聯網云平臺實現對火電廠灰霾的實時監測，可實時監測煙氣排放，掌握區域周圍空氣質量狀況，能夠幫助相關管理部門對火電廠排污進行有效管控和治理。根據需求提出以Zigbee構成無線傳感網絡的設計方案，完成了火電廠灰霾監測系統樣機的設計與制作，采用4G網絡將監測數據實時發布到機智云物聯網云平臺進行網絡共享和數據存儲。

系統總體結構設計

基于無線傳感器網絡的火電廠灰霾監測系統的總體架構如圖1所示。終端部分是由Zigbee傳感節點構成的數據采集無線自組網模塊，污染源數據經由匯聚節點接收和轉發上傳到4G網關以接入互聯網，海量數據經由網絡傳輸上傳到PC端、移動手機以及物聯網云平臺。

圖1 系統總體架構

傳感器子節點集成了各種氣體傳感器、MCU以及Zigbee路由器。網絡內部任意節點均可當選為路由節點，這歸結于路由算法和實際應用需求以及現場環境，路由節點負責接收每一個傳感器節點的數據信息，與網關節點實現通信，將監測區域污染源數據打包上傳至網關模塊;網關模塊的功能相對復雜且靈活，可以根據系統需求進行定制，網關是傳感器網絡接入互聯網的中轉站。

本設計的火電廠灰霾監測系統的網關模塊設計需求是實現污染源數據的預處理，同時應用4G通信將數據上傳至機智云云平臺。云平臺主要實現數據的存儲和可視化處理。

云服務器/云平臺選擇

云服務器可以為網絡系統提供簡單高效、安全可靠的計算服務，與傳統物理服務器相比，其在計算及數據處理能力上具有十分明顯的優勢，并且云服務器擴展升級方便，成本可控。

云服務器平臺眾多，包括阿里巴巴、百度云、機智云、騰訊云和許多其他產品的選擇。其中，機智云物聯網所提供的機智云云平臺是一種專門面向工業物聯網的應用平臺，其為國內多個企業、物聯網開發人員和科研機構提供云服務。機智云以分布式云服務器為基礎，以在web表單提供服務為主旨，能極強地保障數據的安全可靠，其配備維護簡單的專用帶寬，能夠靈活適用于各種規模大小的系統。云服務器相較于傳統的服務器具有諸多優勢，其在系統的穩定性上具有十分明顯的優勢，其獨有的彈性管理模式適用于用戶的多樣化需求，其安全性是有所保障的，并且其對數據的海量存儲能力適應了當下大數據的開發環境。系統的穩定性表現在，如果發生意外的停機，系統的所有數據可以隨網絡迅速迀移并存儲;系統具有較好的彈性，表現在用戶可以使服務器的CPU、內存、帶寬等，并且可以靈活拓展系統容量;安全性指的是，云服務器為用戶提供病毒查殺和攻擊保護。

綜上所述，機智云云平臺是一個易于處理大數據量、高并發的、可擴展性的網絡服務器，用戶的產品可以通過機智云平臺無縫地接入云端，機智云持續提供管理系統。

系統硬件模塊及電路設計

Zigbee模塊作為系統終端監視設備，負責收集各種氣體源數據，建立一個安全的和穩定的硬件系統，以獲得各種有效的數據的基礎上。下面將對火力發電廠灰霾監測系統的硬件進行詳細設計，設計傳感器網絡電路，以及網關電路設計。火電廠灰霾監測管理系統的感知層主要由數據傳輸機構和采集機構可以組成。系統搭載溫濕度傳感器，PM2.5、PM10、CO、SO2、和NO2傳感器。

系統總體架構火電廠灰霾監測系統的硬件是整個監測系統的基礎，整體結構如圖2所示。

圖2 系統整體結構系統的硬件結構主要由傳感器節點、匯聚節點、網關節點三部分構成，以下對三個部分進行詳細設計，包括硬件選型和電路圖的繪制。

硬件電路設計基于無線傳感器網絡的火電廠灰霾監測系統的終端節點由Zigbee模塊構成，模塊的主控芯片是CC2530，其最小硬件系統由電源模塊、傳感器接口、USB調試接口以及時鐘電路組成。

圖3 CC2530核心板1)CC2530最小系統CC2530的最小系統進行電路設計。在供電部分，AVDD1-AVDD6是模擬電源，連接2V-3.3V模擬電源;DVDD1和DVDD2屬于數字電源，連接2V-3.3V數字電源;RBIAS外接精密電阻，產生偏置電流。

圖4 CC2530最小系統CC2530有兩個UART口，其中P0.2和P0.3是UART0，P0.4和P0.5是UART1。在本文的設計中，UART0負責協調器與網關節點的通信。UART1用于串口調試。2)功能底板的電路設計

CC2530外圍電路的設計包括USB串口模塊、JTAG下載模塊兩個部分，一般情況下還有按鍵功能的設計。

USB串口模塊電路設計

本文選擇CH340G作為USB串口模塊的轉換芯片，實現USB轉RS232。芯片使用需要下載驅動。CH340G模塊電路設計如圖5所示。

圖5 CH340G模塊電路

JTAG下載模塊電路設計

JTAG模塊用于程序的下載和ZStacK協議棧的分析測試。JTAG電路設計如圖6所示。

圖6 JTAG電路

射頻模塊電路設計

射頻模塊用于信號的傳輸和放大，射頻電路設計如圖7所示。

圖7 射頻電路 3)傳感器監測模塊選型

本文基于無線傳感器網絡的火電廠灰霾監測系統的檢測對象包括PM2.5、PM10、CO、SO2、和NO2，下面將對具體傳感器進行選型。

細顆粒物檢測模塊

使用第二代Sharp GP2YIO51AUOF傳感器測量PM2.5、PM10細顆粒物，可以區分香煙和室外粉塵，實現PM2.5及PM10濃度數據的采集。GP2YIO51AUOF傳感器結構，如圖8下所示。

圖8 GP2YIO51AUOF 傳感器結構

細顆粒物傳感器接口電路設計

細顆粒物監測模塊不需要依賴太多的外圍電路。只需連接電源5V、接地和串口即可工作，如圖9所示。串口與引腳之間的連線不得超過2.5米。

圖9 GP2YIO51AUOF 與 CC2530 接線圖

灰霾等級指標

根據PM2.5監測的灰霾等級標準設置PM2.5濃度的報警閾值。

表1 PM2.5標準指標

氣體傳感器

針對CO、SO2、和NO2等濃度的監測采用了ZE12型電化學模組。

ZE12傳感器

氣體模塊接口電路設計

本系統中選用了串口數字輸出方式。由P0發送采集數據指令，CO、NO2、SO2傳感器分別與P0.4、P0.5、P0.6相連接，用來接收傳感器輸出的氣體濃度信息。電路連接如圖10所示。

圖10 ZE12 傳感器與 CC2530 接線圖

氣體指標

其中CO氣體的探測范圍是0~12.5ppm，其他氣體探測范圍是0~2ppm。詳細指標如表2。

表2 氣體傳感器技術指標4)系統供電電路設計由于Zigbee模塊被放置在室外環境下，所以節點采用太陽能供電的方式。充電電池選擇5V鋰電池，選用CN3163作太陽能充電控制電路。

圖11 太陽能供電電路本設計采用5V鋰電池用于系統模塊的供電，5V電壓可以直接給PM2.5傳感器、氣體傳感器供電。CC2530芯片所需電源為3.3V，需要對5V電壓進行轉化，做降壓處理，本文采用XC6206對作DC-DC轉換。

圖12 系統供電電路 5)Zigbee傳感器節點PCB設計結合以上電路原理圖的設計，設計了Zigbee模塊的PCB電路圖，將Zigbee模塊硬件放于室外時需要加裝塑料外殼，用于做防水處理，也可以保證內部元器件的使用壽命，Zigbee模塊的PCB電路圖如圖13所示。

圖13 傳感器節點PCB電路圖

網關節點硬件設計網關節點主要由Zigbee協調器、液晶屏模塊、4G模塊構成，主要功能是實現處理和發送采集的數據至機智云云平臺。網關模塊主控芯片采用STM32F103RE。4G模塊采用芯訊通公司的SIM7600CE ，其內部搭載的TCP/IP 支持系統與Internet相連，可以將數據上傳至物聯網云平臺。1)主控制器電路設計

處理器是整個系統的核心，其他模塊都需要通過處理器來驅動。本文設計的基于無線觸感器網絡的火電廠灰霾檢測系統采用STM32F103RE芯片。

STM32處理器最小系統原理圖

主控芯片為STM32F103RE，時鐘電路由晶振Y1、電容C 5、電容C6構成8MHz時鐘，接到CPU的PD0和PD1，該電路主要用于提供外部高速時鐘，用來驅動芯片內核。

圖14 STM32F103RE處理器最小系統原理圖

圖15 STM32F103RE時鐘電路

STM最小系統下載調試接口原理圖

本文采用一種區別于JTAG模式的ST-Link下載調試接口，該接口只需要占用兩個接口資源。U2SWD的2號腳U2SWCK接STM32的PA14，3號腳的U2SWIO接STM32的PA13，這兩個引腳不可作為通用輸入輸出接口復用，調試接口電路圖如圖16所示。

圖16 網關模塊下載調試接口原理圖

網關節點硬件實現

網關節點設計的PCB電路圖如圖17所示。

圖17 網關節點PCB電路圖2)主控板電源設計本設計選取MIC29302做電壓轉換，將12V鋰電池電壓降為3.3V、3.8V分別給CPU和4G模塊供電。電路圖設計如圖18所示。

圖18 網關節點電源電路 3)液晶屏接口電路設計網關模塊配置了LCD屏，可以方便管理人員實時觀測污染源變化情況。該LCD為串口形式，節約接口資源，LCD的電路設計圖如圖19所示。

圖19 液晶屏接口電路4)4G模塊電路設計4G模塊選用SIM7600CE模塊，其電路設計包括SIM7600CE接口電路、SIM卡電路和串口電路組成。

SIM7600CE接口電路

USIM卡電路

4G模塊PDB電路

系統軟件設計——設備接入云平臺

機智云物聯網云平臺具有數據處理和存儲的功能，可以在網絡上共享數據，機智云云平臺具有web端和移動設備APP，當用戶將自己的終端設備注冊到云平臺后，會相應地獲得設備所對應的二維碼，可以通過手機APP綁定設備，獲取設備的監測數據，并監測設備的運行狀態。具體的操作流程如下：

首先進入機智云官網，注冊設備并獲得認證，可以獲得對應的二維碼。

圖23 使用APP掃碼綁定虛擬設備

當虛擬設備登錄后，會在日志中顯示并記錄登錄信息，如圖24所示。

圖24 設備上線

接下來，測試虛擬設備和移動應用程序來發送數據。在虛擬設備中，分別填寫每個數據點的值，然后單擊按鈕將數據發送給應用程序。用于每個數據點的值分布的虛擬設備如圖25所示。

圖25 APP端樣式圖及數據曲線圖

實現數據上傳云平臺功能將終端設備注冊后接入網絡并上傳數據，登錄機智云官方網站，選擇自己創建的基于無線傳感器網絡的火電廠灰霾監測項目，查看設備日志。當觀察到設備列表的狀態為聯機，就表明設備成功接入到機智云云平臺。點擊“查看”按鈕，可以查看通訊日志、運行記錄等設備相關信息，見圖26。

圖26 機智云平臺的設備記錄詳情

實現APP移動應用程序查看上載的數據并控制設備設備成功接入云平臺后，可以通過APP移動應用查看當前設備的監控信息，如圖27所示。這里要說明的是，針對擴展類型數據變量，其在應用程序中以十六進制ASCII碼的形式表示。

圖27 手機APP顯示界面

系統整體調試與功能測試

下面對整體系統的功能進行實際驗證，具體的工作內容是給終端節點分配傳感器硬件，將調試成功的程序燒錄到各個硬件模塊中去，最后測試各個模塊的數據采集情況，并檢測數據是否成功發送到協調器端。

圖28 系統節點實物搭建

本文設計的基于無線傳感器網絡的火電廠灰霾監測系統分為兩部分，一部分是面向監測對象火電廠的傳感器網絡部分，該部分主要負責進行污染源數據的采集;其次還有網關模塊所負責的網絡傳輸功能，負責將數據上傳至機智云物聯網云平臺進行共享和存儲。

圖29 傳感器節點實物

對于終端節點的測試進行了長期的觀測和記錄，結果表明在設備供電情況穩定的狀態，終端設備始終保持穩定運行狀態，數據傳輸的質量和傳輸效率保持在穩定水平。

通過對系統整體測試的統計分析，結果表明系統能夠穩定運行。在很長一段時間，可以精確測量二氧化硫濃度的陰霾指數，PM2.5濃度和PM10濃度，得到空氣中溫度和濕度的信息，以及地理位置的設備，支持云端查看監控信息，APP遠程監控設備，發送報警信息等。系統達到了統一設計的要求。

系統總結

本文結合物聯網技術設計了基于機智云云平臺和4G通信的火電廠灰霾監測系統的設計方案。Zigbee技術的使用，解決了傳統監測模式節點單一，成本高昂的弊端。完成了4G模塊在嵌入式系統中的設計，通過移動LTE網絡將污染源監測數據實時上傳到機智云物聯網云平臺，實現數據的網絡共享和遠程監測。

實驗證明，本系統能夠實現多種污染源的采集，與傳統監測設備相比，避免了布線復雜、污染源定位難、監測區域受限制等難題，并在很大程度上減輕了人力物力的投資，為火電廠灰霾的實時監測提供了較高的實用價值。

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原文標題：IoT畢業設計 | 基于機智云物聯網云平臺的4G火電廠灰霾監測系統

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審核編輯：湯梓紅