一種基于ARM的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

黃勤陸,喻興隆

(成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川成都 611731)

一種基于ARM的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

黃勤陸,喻興隆

(成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川成都 611731)

介紹了一種基于ARM系統(tǒng)的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)及處理的控制思想和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。環(huán)境數(shù)據(jù)采集站實(shí)時(shí)采集各種環(huán)境信號(hào)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)層、特征層、決策層融合，獲得紡織企業(yè)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的精確測(cè)量與綜合決策。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)建紡織車間環(huán)境信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備運(yùn)行狀況及環(huán)境狀態(tài)，全面分析環(huán)境污染的成因和規(guī)律，評(píng)估環(huán)境的安全狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警并消除環(huán)境污染;根據(jù)環(huán)境數(shù)綜合決策機(jī)制自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)環(huán)境狀態(tài)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，監(jiān)控中心通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境信息發(fā)送到值班手機(jī)。該系統(tǒng)為紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種可靠的系統(tǒng)解決方案，自動(dòng)化水平高、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)種類齊全、精準(zhǔn)高、安全可靠和運(yùn)行穩(wěn)定。

環(huán)境監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn)程監(jiān)控 ARM

0 引言

我國(guó)擁有世界上規(guī)模最大，產(chǎn)業(yè)鏈最完整的紡織工業(yè)體系，紡織印染企業(yè)排放的大量污染物，是職業(yè)病、區(qū)域大氣污染、霧霾天氣的重要源頭。目前國(guó)內(nèi)紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)常采用分散測(cè)量、人工采集、手動(dòng)調(diào)整方式、受監(jiān)測(cè)手段、感知維度、系統(tǒng)規(guī)模、覆蓋范圍等因素制約，無(wú)法滿足對(duì)環(huán)境狀態(tài)全面測(cè)量、智能控制的需求，不適應(yīng)企業(yè)綠色環(huán)保發(fā)展。

該項(xiàng)目旨在建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能控制、綜合管理的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紡織企業(yè)安全生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警管理，科學(xué)評(píng)估生產(chǎn)環(huán)境的各種安全狀態(tài)，分析環(huán)境質(zhì)量的成因和發(fā)展規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各種環(huán)境狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)預(yù)警，自動(dòng)決策。對(duì)全面把握環(huán)境的安全狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)診斷與發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，制定合理科學(xué)的預(yù)防預(yù)控策略，實(shí)現(xiàn)紡織企業(yè)綠色生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)改變傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)物理手段、化學(xué)手段、生物手段、生態(tài)手段[1-2]，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定閥值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并發(fā)送控制命令，控制廠區(qū)內(nèi)的空調(diào)新風(fēng)機(jī)組和除塵裝置啟動(dòng)運(yùn)行，降低車間內(nèi)空氣污染物濃度，確保車間內(nèi)的工作人員的健康與安全。排出的污染物氣體和粉塵可排入到指定的處理池或經(jīng)過(guò)其他相應(yīng)的化學(xué)處理后，排入大氣。系統(tǒng)總拓?fù)淙缦聢D1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，系統(tǒng)分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集子中心采用ARM為控制平臺(tái)，采用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，利用多傳感器測(cè)試系統(tǒng)全方位感知污染源，獲得污染種類、污染程度的時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)層、特征層、決策層融合，獲得目標(biāo)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的精確測(cè)量與綜合決策，增加系統(tǒng)的可靠度與魯棒性。

系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，構(gòu)建遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)采樣，24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)接入方式、統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)中心和綜合應(yīng)用平臺(tái)，并能夠隨時(shí)隨地滿足移動(dòng)應(yīng)用要求。建立了智能化的環(huán)境監(jiān)測(cè)及綜合管理系統(tǒng)，集檢測(cè)、分析、處理、預(yù)警、控制功能為一體，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)環(huán)境污染連續(xù)自動(dòng)采樣，現(xiàn)場(chǎng)快速分析，分析污染源的變化規(guī)律，及時(shí)全面的掌控不同污染物的變化趨勢(shì)，提升了環(huán)境污染監(jiān)測(cè)及管理水平。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)、自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境指標(biāo)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)預(yù)警和自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境控制設(shè)備調(diào)節(jié)、企業(yè)管理系統(tǒng)有機(jī)統(tǒng)一。

1.1 數(shù)據(jù)采集站

環(huán)境參數(shù)通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，傳感器的性能參數(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)檢測(cè)精度。紡織工業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)因子構(gòu)成部分為氣象參數(shù)、氣體成分參數(shù)、水體中的離子濃度等，顆粒物、二氧化硫、一氧化碳等都為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[3]。這些影響環(huán)境的因素可分為三大類，一類是環(huán)境基本參數(shù)。例如溫度、濕度、噪音，蘇玉召對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提升紡織企業(yè)節(jié)能減排效果的研究[4]一文中對(duì)一類數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。

第二類是廢氣染物類。廢氣類SO2、CO物質(zhì)一般用體積分?jǐn)?shù)(ppm)表示污染物濃度，主要來(lái)自燃燒過(guò)程中鍋爐廢氣的排放，小于2.5um的微粒就是PM2.5。

第三類是揮發(fā)性有機(jī)物VOC和水污染。主要來(lái)自燃料、染料、膠水等。水污染物中揮發(fā)性有機(jī)化合物包括生化需氧量、甲醛、硫化物、苯胺類、六價(jià)鉻、總磷、總氮、可吸附有機(jī)鹵素等水污染物排放限值[5]。紡織印染工藝生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣主要為揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，存在苯和甲醛等1類致癌物，需要對(duì)苯、甲醛、甲苯、二甲苯等VOCs指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制[6-8]。

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、軟件管理系統(tǒng)等軟件和硬件設(shè)備組成。監(jiān)控中心能對(duì)數(shù)據(jù)采集站和生產(chǎn)單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)匯聚，整理、分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后及時(shí)對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是控制系統(tǒng)與使用者進(jìn)行信息交互的平臺(tái), 通過(guò)對(duì)分布在廠區(qū)的多個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后得到的數(shù)據(jù)[3]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集站采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。監(jiān)控中心將環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)通過(guò)APP可送至用戶終端，而用戶也可通過(guò)它們將執(zhí)行命令送至控制器處進(jìn)行處理。通過(guò)人機(jī)交互界面提高了人間交互性，增加可監(jiān)視的信息量，監(jiān)測(cè)多種對(duì)象和數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站通過(guò)串口或以太網(wǎng)協(xié)議與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析；歷史資料追溯功能；統(tǒng)計(jì)報(bào)表的產(chǎn)生與打??；通過(guò)圖形界面直觀的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過(guò)程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定和顯示、運(yùn)行操作；警報(bào)功能，定義警報(bào)產(chǎn)生的條件，通知作業(yè)員處理。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是完成新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和除塵裝置的運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)伺服、變頻器等驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)、新風(fēng)空調(diào)和除塵裝置啟動(dòng)和停止、風(fēng)量和溫濕度的調(diào)節(jié)。常采用變頻器和伺服系統(tǒng)按給定值和編碼器反饋檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，進(jìn)行新風(fēng)空調(diào)控制；伺服系統(tǒng)通過(guò)光電編碼器反饋形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在速度、位置精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面性能比較優(yōu)良。

2 數(shù)據(jù)采集站

在紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用本地?cái)?shù)據(jù)采集工作站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和處理，多臺(tái)數(shù)據(jù)采集工作站分散在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心供管理人員進(jìn)行保存和分析。數(shù)據(jù)采集站采用ARM平臺(tái)STM32控制器，可擴(kuò)展性強(qiáng)，內(nèi)嵌以太網(wǎng)接口，能夠方便進(jìn)行數(shù)字量和模擬量等環(huán)境參數(shù)和控制接口與處理。如圖1所示，數(shù)據(jù)采集站由溫濕度檢測(cè)、噪音檢測(cè)、粉塵檢測(cè)、VOC檢測(cè)、火焰和煙霧檢測(cè)等功能模塊組成。

2.1 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)車間的溫度與濕度信息。溫濕度與纖維的性能之間有著密切的聯(lián)系，紡織廠空氣的溫濕度對(duì)紡織工藝生產(chǎn)影響很大。在紡織機(jī)械處理纖維時(shí)，各道工序?qū)w維性能又有不同的要求，因而溫濕度對(duì)紡織工藝生產(chǎn)有著密切的關(guān)系，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的影響。

采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT21設(shè)計(jì)，傳感器由電容式聚合體測(cè)濕元件、能隙式測(cè)溫元件、14位A/D 轉(zhuǎn)換器及串行接口電路組成。SHT21與ARM的接口示意圖如下圖2所示。

圖2 SHT21接口圖

溫濕度傳感器SHT21作為從機(jī)，采用I2C總線與主機(jī)相連，具有±2%RH的濕度測(cè)量精度和±0.3℃的溫度測(cè)量精度，將SHT11設(shè)定為14位溫度分辨率和12位濕度分辨率，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度控制要求。

2.2 粉塵檢測(cè)模塊

粉塵檢測(cè)常用方法有濾膜稱重測(cè)塵法、光散射和光吸收原理測(cè)塵法、β射線原理等方法。該項(xiàng)目采用粉塵檢測(cè)模塊用于檢測(cè)紡織車間棉塵、短纖維等粉塵的濃度，采用的光散射和吸收原理進(jìn)行測(cè)量。光學(xué)粉塵傳感器GP2Y1051的傳感器由紅外發(fā)光二極管、感光探測(cè)器、運(yùn)算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成。粉塵通過(guò)LED光軸時(shí)，會(huì)引起PD光軸變化，感光探測(cè)器根據(jù)PD光軸獲取粉塵濃度。粉塵傳感器GP2Y1051通過(guò)串行通訊方式與主機(jī)相連，接口如下圖3所示。

圖3 GP2Y1051接口圖

通訊波特率為2400bps，主機(jī)每隔10ms采集一次粉塵濃度數(shù)據(jù)。粉塵傳感器一幀完整數(shù)據(jù)共7個(gè)字節(jié)，輸出格式如下所示。

ARM接收到數(shù)據(jù)后按照公式:

Vo=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5

得到模擬電壓值Vo，Vo乘以系數(shù)檢測(cè)感度系數(shù)K即可得到灰塵濃度值：灰塵濃度=K*Vo。檢測(cè)感度系數(shù)K是關(guān)于粉塵濃度0.1mg/變化時(shí)的輸出電壓變化量，典型值為0.35V/(0.1mg/)。

2.3 VOC檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

種類繁多的有機(jī)氣體，比較準(zhǔn)確而精密的檢測(cè)手段有光譜、質(zhì)譜、電化學(xué)快速技術(shù)[9]。本項(xiàng)目紡織車間的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC檢測(cè)模塊采用電化學(xué)快速技術(shù)，采用半導(dǎo)體VOC傳感器TGS2602設(shè)計(jì)。該傳感器由集成加熱器及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)可檢知?dú)怏w存在時(shí)，空氣中該氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高。TGS2602與ARM的接口電路如下圖4所示。

圖4 TGS2602接口示意圖

上圖4中，VC為+5V回路電壓，VH為+5V加熱電壓。VH用于維持敏感素子處于與對(duì)象氣體相適應(yīng)的特定溫度，施加在集成的加熱器上。VC用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的兩端電壓VOUT。VOUT輸出信號(hào)經(jīng)采樣、放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入主機(jī)ARM，通過(guò)VOUT電壓值判斷空氣中VOC的濃度。

2.4 火焰檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

火焰檢測(cè)模塊用于探測(cè)紡織車間的火焰，采用紫外火焰?zhèn)鞲衅鱎2868設(shè)計(jì)。R2868利用紫外線通過(guò)金屬的光電效果和瓦斯乘法效果來(lái)發(fā)現(xiàn)火源，可以探測(cè)185nm～260nm的狹窄光譜敏感源，對(duì)可見(jiàn)光沒(méi)有感應(yīng)，也不需要過(guò)濾器。具有很小的體積和很寬敏感角度，能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)從火焰被發(fā)出的弱紫外線?；鹧鏅z測(cè)模塊由火焰?zhèn)鞲衅鱎2868，DC/DC升壓電路、滅弧電路、電壓比較電路和頻率測(cè)量電路構(gòu)成。

系統(tǒng)另外還有噪音、煙霧等環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊,根據(jù)用戶的實(shí)際需求可以進(jìn)行增加，進(jìn)行相關(guān)環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是在分析國(guó)內(nèi)棉紡織印染環(huán)境現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，采用ARM控制器STM32為控制核心進(jìn)行紡織印染環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)、環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)定和自動(dòng)顯示、自動(dòng)處理和通信功能。該控制方案自動(dòng)化程度高，一致性較好，可靠性高，人機(jī)交互友好，維護(hù)方便，適合應(yīng)用于紡織企業(yè)和印染廠環(huán)境監(jiān)測(cè)的升級(jí)改造。

[1] 李金鋒.企業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].科技與企業(yè)，2016(1)：117-119.

[2] 崔曼，薛惠鋒，卜凡彪，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,33(7):577-582.

[3] 巴愛(ài)軍,張富林. 企業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息與電腦，2012(2):38-39.

[4] 王俊豪,李云雁.民營(yíng)企業(yè)應(yīng)對(duì)環(huán)境管制前戰(zhàn)略易回與創(chuàng)新行為[J]. 中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì). 2009，285(9):15-23.

[5] 沈燕,蔣志剛,王黎明.紡織染整工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)之我見(jiàn)[J]. 價(jià)值工程,2014(32)：325-326.

[6] 李莉娜,唐桂剛,萬(wàn)婷婷，等.我國(guó)企業(yè)排污狀況自行監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J]. 環(huán)境工程,2014(5):86-89.

[7] 蘇玉召.物聯(lián)網(wǎng)提升紡織企業(yè)節(jié)能減排效果的研究[J].棉紡織技術(shù)，2014,42 (7):32-36.

[8] 徐志榮，王鵬,王浙明，等.典型染整企業(yè)定型機(jī)廢氣排放特征及潛在環(huán)境危害淺析[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(3):847-852.

EnvironmentMonitoringSystemResearchandDesignofTextileEnterpriseBasedonARM

HUANGQin-lu,YUXing-long

(Chengdu Textile College, Chengdu, 611731)

The control theory and system framework design of textile enterprise environment monitoring and treatment based on ARM was introduced. The system adopted distributed structure, which consisted of environment data collection station and remote monitoring center. Environment data collection station gathered all kinds of real-time environment signals, integrated the data according to data layer, feature layer and decision layer and acquired the precise measurement of environment parameters and comprehensive decision of textile enterprise. Remote monitoring center constructed the environment information monitoring database for workshop, traced real-time operation and environment conditions of the equipments, comprehensively analyzed the causes for environment pollution and rules, estimated the security condition of the environment and sent early warning and eliminated environment pollution timely; comprehensive decision-making mechanism based on environment data could automatically adjust the operating parameters for air-conditioning system and dust removal system. When the environment condition exceeded preset threshold, the monitoring center would send environment information to on duty cell phone by 4G net. The system provided a stable system solution for textile enterprise environment monitoring, which had high level automation, comprehensive monitoring environment data, better precision, safe, reliable and stable operation.

environment monitoring data collection remote monitoring acorn RISC machine

2017-05-25

四川省科技支撐項(xiàng)目(2015GZ0192)，成都紡織高等專科學(xué)校自然科學(xué)項(xiàng)目(2016FZLKB04)。

黃勤陸(1971-)，男，博士，教授，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化技術(shù)。

TS108,TP277

A

1008-5580(2017)04-0152-04