亞臨界水處理秸稈裝備的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

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(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保理念的普及，人們對于秸稈的處理和回收利用有了更多的研究，一種新型的無害化處理秸稈的裝備應(yīng)運而生。該裝備通過亞臨界水水解技術(shù)處理秸稈，該技術(shù)具有綠色環(huán)保、反應(yīng)速率快等特點，已成為生物質(zhì)廢料(秸稈)回收處理方面的研究熱點。周劍浩[1]結(jié)合現(xiàn)代先進智能控制技術(shù)和亞臨界水處理有機固廢制備有機肥料的生物技術(shù)，采用序批式反應(yīng)釜完成亞臨界水處理，實現(xiàn)了有機固廢的無害化與智能化處理。趙洋等[2]以亞臨界水為溶劑，利用高壓反應(yīng)釜水解大豆皮中的纖維素制備還原糖，并優(yōu)化了最佳水解條件，使亞臨界水水解大豆皮制備還原糖的最高產(chǎn)率達到38.96% 。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展浪潮下，亞臨界水處理秸稈裝備有待進一步發(fā)展，以使得“感知—傳輸—決策”的過程成為可能；借助物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備運行歷史數(shù)據(jù)存儲和分析等。

1 亞臨界水處理秸稈裝備

1.1 亞臨界水特性及反應(yīng)機理

亞臨界水是指溫度介于100 ℃與374 ℃之間、壓力足夠大并且維持在液體狀態(tài)下的水。亞臨界水具有不同于常規(guī)狀態(tài)的性質(zhì)，在亞臨界狀態(tài)下，水的介電常數(shù)、溶解能力和黏度等都會發(fā)生巨大變化[3]。亞臨界水的顯著特點是其擁有較高的離子積，即高濃度的氫離子和氫氧根離子，使得水既可充當(dāng)溶劑，也可以酸/堿催化劑的形式或反應(yīng)物參與化學(xué)反應(yīng)。而在亞臨界水中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)往往是受酸/堿催化劑催化的，同時高溫高壓也使得化學(xué)反應(yīng)速率加快。

在降解反應(yīng)中主要涉及水解反應(yīng)、熱裂解反應(yīng)和氧化反應(yīng)。水解反應(yīng)通常伴隨著熱裂解反應(yīng)，溫度降低有利于水解反應(yīng)，極性增加也有利于水解反應(yīng)，在溫度提高時有利于熱裂解反應(yīng)的發(fā)生。亞臨界水中的水解和熱裂解反應(yīng)往往同時發(fā)生，產(chǎn)物與單一的水解和熱裂解反應(yīng)均不同。在亞臨界水中的降解反應(yīng)，特別是在較高溫度下，也會出現(xiàn)氧化反應(yīng)，使得有機化合物可以被徹底氧化，形成二氧化碳和水。而水又經(jīng)常形成高活性的反應(yīng)自由基，在亞臨界水中發(fā)生的氧化反應(yīng)可以徹底降解一些有毒的有機物廢棄物，同時也可以通過控制反應(yīng)條件來獲得某種特定的氧化產(chǎn)物[4]。

1.2 亞臨界水處理裝備工作原理

該裝備利用亞臨界水的特性降解秸稈，其工作原理是：將水蒸氣注入一個密閉裝置內(nèi)，在容器內(nèi)制造壓力2～2.6 MPa、溫度200～225 ℃的環(huán)境，通過亞臨界狀態(tài)下水的降解反應(yīng)，在攪拌器的輔助下將秸稈無害化處理并把殘余物堆肥利用。處理裝備原理如圖1所示。

圖1 亞臨界水處理秸稈裝備原理

a.投料階段：啟動鍋爐—開啟廢料投入閥—投入秸稈—關(guān)閉廢料投入閥。

b.開始反應(yīng)階段：自動開始處理—攪拌機啟動—水蒸氣進氣閥開啟。

c.充分反應(yīng)階段：水蒸氣注入—達到溫度壓力規(guī)定范圍—水蒸氣注入停止—充分反應(yīng)(處理完畢)。

d.排氣階段：關(guān)閉鍋爐—打開排氣閥(水蒸氣開始排放)。

e.排料階段：水蒸氣排放完畢—打開產(chǎn)品排出閥—產(chǎn)品排出—攪拌機停止—關(guān)閉全閥門。

圖2 亞臨界水處理秸稈裝備工作流程

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以打破生產(chǎn)設(shè)備間的信息孤島，將各種信息串聯(lián)起來，再集中呈現(xiàn)，解決了信息的冗雜，使用戶收取重要信息，實現(xiàn)真正的智能制造。在制造業(yè)中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)在設(shè)備健康管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量追溯和產(chǎn)品生命周期管理等方面有著巨大的潛力，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的把控、優(yōu)化對裝備和資源的使用，從而推動生產(chǎn)和運營的智能化。目前，該亞臨界水處理秸稈裝備存在一些方面的不足，如無法獲取生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)以保障設(shè)備安全運行及預(yù)防性維護等，因此，在該處理裝備上采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，來提升設(shè)備的智能化水平。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

2.1.1 控制模塊處理器選擇

控制模塊主要用于傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸，而數(shù)據(jù)的存儲、計算和分析在云端完成，因此控制模塊處理器只需要少量的內(nèi)存和計算能力。ARM公司生產(chǎn)的Cortex-M系列內(nèi)核是面向嵌入式工業(yè)自動化領(lǐng)域的32位MCU架構(gòu)，具有低成本、低功耗和高性能的優(yōu)勢[5]，因此選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片作為控制模塊處理器。

注漿管預(yù)埋完成7天后進行注漿，注漿水泥用量為每孔2 t，每根樁6 t，水灰比控制在 1∶1~0.6∶1，壓力控制在2~4 MPa以內(nèi)。

2.1.2 無線通信傳輸方式選擇

在工業(yè)領(lǐng)域，對于工廠這類特殊的場景，無線通信傳輸方式的要求是覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、穩(wěn)定可靠并且低功耗。GSM/GPRS即將退網(wǎng)，而 Wi-Fi 和Bluetooth 等短距離通信技術(shù)本身帶有局限性，3G/4G模組功耗較高，因此，基于蜂窩的窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心體系[6]。

NB-IoT支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，它使用大約 200 kHz 的帶寬，支持低于100 kbit/s 速率的數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)或UMTS網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級；同時NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示NB-IoT設(shè)備電池壽命可達到至少10年以上[7]。此外，NB-IoT具有極強的覆蓋能力，并且在部分惡劣的接收環(huán)境中依舊可以實現(xiàn)穩(wěn)定的通信，滿足當(dāng)前需求；其覆蓋能力可達到164 dB，覆蓋范圍較深，如地下車庫、地下管道和地下室等普通信號難以達到的地點均可以實現(xiàn)信號傳輸。因此，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無線通信傳輸方式選用NB-IoT。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議選擇

物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議是指運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上的設(shè)備通訊協(xié)議，負責(zé)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換及通信。目前，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣泛使用的4大實時協(xié)議有：XMPP，HTTP，COAP和MQTT，各協(xié)議對比如表1所示[8]。

表1 通信協(xié)議對比

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點一般都是存儲和帶寬受限的嵌入式設(shè)備，只有少量的內(nèi)存空間和有限的計算能力。

XMPP協(xié)議基于XML，對于嵌入式設(shè)備來說，XML解析較為困難；而HTTP協(xié)議對于嵌入式設(shè)備來說屬于重量級，需要大量內(nèi)存。比較適合嵌入式設(shè)備就是輕量級的MQTT和CoAP，但CoAP協(xié)議的時效性較差。MQTT協(xié)議是為計算能力有限、且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計的協(xié)議，該協(xié)議的優(yōu)勢是可以支持所有云平臺，并且低帶寬、傳輸效率高，因此選擇MQTT協(xié)議作為本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。

2.1.4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)方案

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示。映射為4層：設(shè)備層、采集層、傳輸層和應(yīng)用層?；谏衔目刂颇K處理器、無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的選擇，設(shè)計如下所述的架構(gòu)。

a.設(shè)備層：采用亞臨界水水解技術(shù)處理秸稈的裝備。

b.采集層：利用相應(yīng)的傳感器和GPS模塊，采集亞臨界水處理裝備內(nèi)的溫度、壓強、電機轉(zhuǎn)速以及設(shè)備位置信息等。

c.傳輸層：采用NB-IoT無線通信技術(shù)，通過 NB-IoT模組與云平臺通信；采集層和傳輸層的控制模塊都是基于STM32。

d.應(yīng)用層：采集的數(shù)據(jù)存儲在云端，并通過移動端微信小程序?qū)崟r顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)和裝備的地理位置信息。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)的基本功能：可以通過對應(yīng)傳感器獲取裝備運行過程中的各項參數(shù)(包括該設(shè)備的位置信息)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺；云平臺提供業(yè)務(wù)邏輯管理功能，建立數(shù)據(jù)中心，進行分析預(yù)警，同時通過移動端的微信小程序進行遠程監(jiān)控。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 實驗平臺搭建

由圖3可知，實驗硬件平臺包括STM32開發(fā)板、傳感器、GPS定位模塊和NB-IoT無線通信模組。

基于上述框架，搭建了基于STM32F103的硬件實驗平臺，選用溫度傳感器、壓強傳感器、霍爾傳感器(電機測速)和GPS/北斗雙模定位模塊，來采集溫度、氣壓、電機轉(zhuǎn)速和地理位置信息，通過基于華為海思Hi2110芯片內(nèi)核開發(fā)的NB-IoT無線模組BC35-G與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺連接；傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器，被存儲在云端的MySQL數(shù)據(jù)庫中，供進一步分析。硬件實驗平臺如圖4所示。NB-IoT模組如圖5所示。

圖4 實驗硬件平臺 圖5 BC35-G無線模組

2.3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計包括硬件驅(qū)動層設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層設(shè)計和應(yīng)用層設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件驅(qū)動層設(shè)計是通過移植來實現(xiàn)功能，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層設(shè)計是將BC35-G模組聯(lián)網(wǎng)的AT指令寫入到C語言編寫的函數(shù)程序中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層設(shè)計涉及基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)包的組包和解包，以及與云平臺的數(shù)據(jù)交互接口層設(shè)計。

應(yīng)用層軟件設(shè)計主要包括移動端微信小程序的開發(fā)，使用HTML，CSS和JavaScript語言，利用微信開發(fā)者工具結(jié)合阿里云MQ規(guī)則引擎來進行軟件開發(fā)。規(guī)則引擎的原理是：MQTT協(xié)議是基于發(fā)布/訂閱模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，設(shè)備通過MQTT協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)布到云服務(wù)器的topic1后，數(shù)據(jù)被編碼成JSON格式的字符串，由topic1流轉(zhuǎn)到topic2；微信小程序訂閱topic2，會間接收到設(shè)備上傳的傳感器數(shù)據(jù)；微信小程序后臺將從云服務(wù)器接收的JSON格式的字符串解析后，通過setData函數(shù)把傳感器數(shù)據(jù)渲染到前端頁面上顯示。傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如圖7所示。

圖7 傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

2.4 實驗結(jié)果

在實驗中，初步實現(xiàn)在移動端微信小程序上查看實驗硬件平臺采集的傳感器實時數(shù)據(jù)和位置信息。采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳至云平臺，被存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，在本地PC機上通過數(shù)據(jù)庫管理軟件Navicat 遠程訪問云服務(wù)器獲取傳感器數(shù)據(jù)表，供進一步分析。數(shù)據(jù)庫存儲的部分傳感器實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分傳感器實驗數(shù)據(jù)

由表2可知，該裝備在運行過程中反應(yīng)容器內(nèi)部成功制造了壓力2～2.6 MPa、溫度200～225 ℃的環(huán)境，使水在亞臨界狀態(tài)下能對秸稈產(chǎn)生降解反應(yīng),且攪拌器轉(zhuǎn)速滑差率<3%，設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。通過目前設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以粗略地遠程監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。

3 結(jié)束語

以提升一種利用亞臨界水處理秸稈的環(huán)境友好型裝備的智能化水平為目的，設(shè)計了基于該裝備的物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，成功搭建了軟硬件實驗平臺。主要利用STM32和相應(yīng)傳感器作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點，結(jié)合窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)無線通信技術(shù)，基于MQTT協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳送至云平臺，存儲在云端的MySQL數(shù)據(jù)庫中，并通過移動端微信小程序?qū)崟r顯示，建立了包含數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和顯示的數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)了對裝備運行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和遠程監(jiān)控。