在線油煙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引言

“民以食為天”這句話說(shuō)明了我國(guó)的餐飲行業(yè)是一個(gè)不會(huì)衰落的行業(yè)。近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)餐飲市場(chǎng)也得到了巨大的發(fā)展。與此同時(shí)餐飲業(yè)油煙排放沒(méi)有得到有效控制，大量未經(jīng)過(guò)凈化處理或凈化不合格的油煙排放到大氣中，該油煙對(duì)空氣質(zhì)量的影響越來(lái)越大[1]。國(guó)家早在2001年頒布《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]，對(duì)油煙排放濃度有著明確的界定。但直至目前為止，國(guó)內(nèi)的大部分環(huán)保部門(mén)對(duì)于油煙檢測(cè)都采用化學(xué)試劑檢測(cè)的方法[3-5]，即現(xiàn)場(chǎng)采樣抽取排油煙管道內(nèi)的氣體帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)出油煙濃度。該方法人工成本高，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握餐飲企業(yè)排放的油煙數(shù)據(jù)，導(dǎo)致環(huán)保部門(mén)無(wú)法對(duì)餐飲企業(yè)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)督與管理。

目前通信技術(shù)廣泛發(fā)展。傳輸數(shù)據(jù)無(wú)論是在速率和可靠性方面都有顯著的提升。本文基于以上背景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種在線實(shí)時(shí)的油煙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體和溫度傳感器實(shí)時(shí)采集油煙數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS通訊實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶可通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器監(jiān)測(cè)相關(guān)餐飲企業(yè)排放的油煙數(shù)據(jù)。高效穩(wěn)定的系統(tǒng)節(jié)省了人力，提高了監(jiān)管部門(mén)對(duì)環(huán)境的監(jiān)控力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

為解決環(huán)保檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、檢測(cè)成本高等問(wèn)題，系統(tǒng)需要具有以下功能：1)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集油煙數(shù)據(jù);2)實(shí)時(shí)通訊：將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器反饋給發(fā)送端是否收到數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)是否合格;3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：將油煙數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)以便查詢、統(tǒng)計(jì)和導(dǎo)出等;4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：顯示餐飲企業(yè)排放的實(shí)時(shí)油煙數(shù)據(jù);5)實(shí)時(shí)位置顯示：顯示傳感器的實(shí)時(shí)地理位置;6)超標(biāo)提示：根據(jù)《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，在進(jìn)行油煙數(shù)據(jù)顯示時(shí)，對(duì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的油煙數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注并在監(jiān)測(cè)網(wǎng)站顯示;7)數(shù)據(jù)查詢：具有歷史數(shù)據(jù)查詢、超標(biāo)數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢功能;8)設(shè)備管理：具有對(duì)油煙檢測(cè)設(shè)備信息進(jìn)行增、刪、改、查的功能;9)用戶管理：具有對(duì)用戶信息進(jìn)行增、刪、改、查的功能;10)用戶登陸功能：訪問(wèn)服務(wù)器需要填寫(xiě)正確的賬號(hào)密碼。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由采集、通訊、服務(wù)器和用戶交互4個(gè)模塊組成。其中，采集模塊由油煙檢測(cè)探頭和油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。其中，油煙檢測(cè)探頭由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和CAN總線組成。油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)和通訊模塊組成。檢測(cè)探頭中的傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集油煙數(shù)據(jù)(油煙濃度、溫度、電流、電壓、經(jīng)度、緯度和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài))，該數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸至油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)中的通訊模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器模塊作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的后臺(tái)支撐，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、超標(biāo)記錄查詢、用戶信息管理、設(shè)備信息管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能提供服務(wù)。用戶交互模塊負(fù)責(zé)處理用戶通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)的操作，根據(jù)不同操作，瀏覽器顯示不同的結(jié)果。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中硬件的核心為油煙采集模塊，該模塊包含油煙檢測(cè)探頭和油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 油煙采集模塊硬件設(shè)計(jì)圖

2.1 油煙檢測(cè)探頭

油煙檢測(cè)探頭包括傳感器、AD轉(zhuǎn)換器和CAN總線模塊。其中，傳感器包括氣體傳感器和溫度傳感器。氣體傳感器采用 TGS2602型號(hào)傳感器[6]。該傳感器性能穩(wěn)定，優(yōu)點(diǎn)多：功耗小、對(duì)烹飪氣體敏感、成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單。對(duì)于溫度的檢測(cè)則采用DS18B20溫度傳感器[7]，該傳感器的測(cè)溫范圍-55～125 ℃，分辨率最大可達(dá)0.062 5 ℃，可用于油煙環(huán)境中。具有不需要A/D轉(zhuǎn)換器就可直接輸出數(shù)字信號(hào)、外圍電路少、適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。本文中的CAN總線通信，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。采用ADM3053模塊，內(nèi)部集成了DCDC轉(zhuǎn)換器，省掉了光耦隔離，不僅可以隔離單片機(jī)與油煙檢測(cè)探頭通信的信號(hào)和電源，而且可以節(jié)省資源。

2.2 油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括微處理器和GPRS通訊模塊。微處理器采用STM32F407，該處理器具有高性能、處理數(shù)字信號(hào)、低功耗、低電壓和高度集成等特點(diǎn)，可滿足本系統(tǒng)的硬件要求。GPRS通訊模塊采用SIM868，該模塊具有通訊和定位穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。處理器通過(guò)AT指令可控制SIM868模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通訊模塊設(shè)計(jì)

由于油煙檢測(cè)節(jié)點(diǎn)(下位機(jī))與服務(wù)器(上位機(jī))距離遠(yuǎn)，進(jìn)行有線傳輸成本高，可實(shí)施性差，本文采用GPRS無(wú)線通訊技術(shù)。該技術(shù)具有傳輸數(shù)據(jù)速率高，成本低和零掉線等特點(diǎn)。

系統(tǒng)中的通訊功能基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，油煙數(shù)據(jù)按照本文設(shè)計(jì)的通訊格式打包，打包后的數(shù)據(jù)由下位機(jī)以GPRS無(wú)線通訊方式發(fā)送至上位機(jī)。處理器STM32F407通過(guò)AT指令與上位機(jī)建立TCP連接后，便可按照規(guī)定的通訊格式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送功能中，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)向下位機(jī)發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。其通訊格式如表1所示。

表1 上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)通訊格式

在數(shù)據(jù)接收功能中，上位機(jī)無(wú)需向下位機(jī)發(fā)送查詢指令，下位機(jī)定時(shí)自動(dòng)的發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。其通訊格式見(jiàn)表2。

表2 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)通訊格式

其中油煙數(shù)據(jù)按照存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存放在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度為14個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)區(qū)具體內(nèi)容見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4。

表3 數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容

表4 數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)部分采用Java語(yǔ)言和MINA通訊框架[8]編寫(xiě)。MINA框架基于Socket網(wǎng)絡(luò)通訊[9-10]，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是二進(jìn)制數(shù)據(jù)(byte)，與程序中的Java對(duì)象編碼方式不同。所以在上位機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼操作。而在上位機(jī)進(jìn)行編碼或解碼前，需判斷數(shù)據(jù)是否滿足通訊格式。不滿足條件的數(shù)據(jù)不進(jìn)行編碼或解碼處理，不存入數(shù)據(jù)庫(kù)。只將日志信息發(fā)送至服務(wù)器。這種數(shù)據(jù)預(yù)處理可減少不必要的通訊，并緩解數(shù)據(jù)庫(kù)壓力。

圖3中顯示了上位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的報(bào)頭長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)接收命令、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)結(jié)果，綜合判斷該數(shù)據(jù)是否可進(jìn)行解碼操作。

圖3 接收數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.2 服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器模塊采用顯示(Web)、服務(wù)(Service)和持久(Dao)層三層架構(gòu)開(kāi)發(fā)[11]，并采用接口式編程。Web層負(fù)責(zé)與客戶端交互；Service層負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯；Dao層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互。系統(tǒng)服務(wù)器模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，監(jiān)測(cè)網(wǎng)站與用戶交互屬于Web層，并需要后臺(tái)服務(wù)的支撐。

本文在設(shè)計(jì)Web層采用MVC(Model-Controller-View)設(shè)計(jì)模式。Model常用于封裝數(shù)據(jù)。Controller位于Model和View之間，負(fù)責(zé)接收用戶輸入，將輸入解析后反饋至Model。View負(fù)責(zé)頁(yè)面顯示。該模式提高開(kāi)發(fā)效率，降低代碼耦合度，提高程序的可維護(hù)性和拓展性。

服務(wù)器模塊具有如下功能：1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：通過(guò)點(diǎn)擊地圖上的標(biāo)記，顯示該企業(yè)排放的實(shí)時(shí)油煙數(shù)據(jù)；2)實(shí)時(shí)曲線：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)油煙、實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)電流曲線圖，可直觀地反應(yīng)企業(yè)一段時(shí)間內(nèi)排放的油煙數(shù)據(jù)；3)歷史數(shù)據(jù)查詢：查詢餐飲企業(yè)排放的油煙歷史數(shù)據(jù)；4)超標(biāo)記錄查詢：查詢餐飲企業(yè)超標(biāo)的次數(shù)和具體油煙數(shù)據(jù)；5)用戶信息管理：管理可登錄監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的用戶號(hào)碼；6)設(shè)備信息管理：管理油煙采集模塊設(shè)備的信息。比如：設(shè)備編號(hào)等；7)通訊功能：接收油煙數(shù)據(jù)以及發(fā)送反饋信息；8)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：將油煙數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；9)用戶登陸功能：用戶輸入正確的賬號(hào)和密碼才能訪問(wèn)服務(wù)器。

其中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能時(shí)引用百度地圖API，目的是將使用油煙采集設(shè)備的餐飲企業(yè)標(biāo)注在地圖中，環(huán)保部門(mén)通過(guò)點(diǎn)擊地圖中的標(biāo)注點(diǎn)，查詢其對(duì)應(yīng)企業(yè)的實(shí)時(shí)油煙數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線功能時(shí)引用百度EChart API，目的是通過(guò)下拉框選擇設(shè)備編號(hào)，對(duì)選中設(shè)備繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，提高監(jiān)測(cè)的直觀性。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求將數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)為：用戶信息表(承載用戶賬號(hào)、密碼等)、設(shè)備信息表(承載采集設(shè)備的信息等)和設(shè)備數(shù)據(jù)表(承載數(shù)據(jù)整合后發(fā)送到服務(wù)器的相關(guān)信息)。

用戶信息表包含主鍵id、用戶號(hào)碼、用戶名、用戶密碼和用戶權(quán)限字段，如表5所示；用戶信息表對(duì)應(yīng)用戶登陸功能和用戶信息管理功能。將用戶登陸時(shí)填寫(xiě)的用戶名和密碼同用戶信息表中的用戶名和密碼進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)結(jié)果一致，則登陸成功。反之，則不成功。對(duì)該表執(zhí)行相應(yīng)的SQL語(yǔ)句，可實(shí)現(xiàn)用戶管理功能中對(duì)用戶信息的增添、刪除、修改和查詢。

表5 用戶信息表

設(shè)備信息表包含id主鍵、設(shè)備編號(hào)、注冊(cè)設(shè)備經(jīng)度、注冊(cè)設(shè)備緯度、企業(yè)名稱和企業(yè)位置字段。如表6所示；該表中的經(jīng)度和緯度用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能中的地圖標(biāo)注。表中的站點(diǎn)編碼作為實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)和超標(biāo)數(shù)據(jù)查詢功能中下拉框選項(xiàng)中的內(nèi)容。

表6 設(shè)備信息表

設(shè)備數(shù)據(jù)表包含主鍵id、站點(diǎn)編碼、數(shù)據(jù)時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、油煙濃度、溫度、電流、電壓、東經(jīng)、北緯、預(yù)留位置1、預(yù)留位置2和是否注冊(cè)字段。如表7所示。該表主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)。服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解碼操作，按照表中的字段和結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)在該表中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、超標(biāo)數(shù)據(jù)查詢功能則根據(jù)站點(diǎn)編碼(pkID)進(jìn)行篩選，并通過(guò)SQL查詢語(yǔ)句，查詢出相應(yīng)的油煙數(shù)據(jù)并顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文將油煙采集設(shè)備放置在學(xué)校食堂排煙通道中，并設(shè)置每5分鐘向服務(wù)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。經(jīng)過(guò)測(cè)試，油煙采集模塊與服務(wù)器之間通訊正常，可以準(zhǔn)確接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以正確的格式存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

表7 設(shè)備數(shù)據(jù)表

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)油煙數(shù)據(jù)

登陸監(jiān)測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)擊地圖中的標(biāo)注點(diǎn)，可以顯示該企業(yè)的實(shí)時(shí)油煙數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的其他功能進(jìn)行測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)的功能，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)網(wǎng)站功能測(cè)試

通過(guò)以上測(cè)試，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的在線油煙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足需求，能實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為B/S模式，不需要用戶安裝額外的軟件，只需通過(guò)瀏覽器既可使用。本系統(tǒng)在保證準(zhǔn)確性的前提下，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，解放了不必要的人力，并可提高環(huán)保部門(mén)對(duì)城市環(huán)境的綜合監(jiān)控能力，具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。