基于OneNET云平臺的制氫系統(tǒng)設(shè)計

左岐 王碩 杜春寶

摘要：以氫氣作為能源，因其來源廣、安全環(huán)保、具有高能量密度等諸多優(yōu)點，成為最有希望解決能源危機(jī)問題的方案之一。利用電解水制取氫，其原理簡單且成品氫氣純度高，是小規(guī)模制取氫氣的主要方式。本文以STM32單片機(jī)為核心，針對現(xiàn)場制氫設(shè)備設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的功能，并基于WEB應(yīng)用設(shè)計網(wǎng)頁監(jiān)控畫面，實時顯示當(dāng)前設(shè)備信息。通過連續(xù)運行測試驗證了設(shè)計模塊的穩(wěn)定性，此外系統(tǒng)保留了二次開發(fā)功能。

關(guān)鍵字：氫氣 物聯(lián)網(wǎng) 監(jiān)控 Onenet MQTT

1 引言

氫氣的制取具有一定危險性，在靜電、火花等因素的影響下，暴露在空氣中的氫氣極易發(fā)生爆炸，因此在生產(chǎn)過程中，實時監(jiān)控各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工藝狀況是保證設(shè)備安全生產(chǎn)的重要措施，設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備之間的信息交流變得更為容易實現(xiàn)。通過物聯(lián)網(wǎng)，管理人員能實現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行高效準(zhǔn)確的監(jiān)視與控制。將設(shè)備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控是今后工業(yè)發(fā)展的主要趨勢，德國政府在工業(yè)4.0戰(zhàn)略中提出的“智慧工廠”這一概念，其技術(shù)基礎(chǔ)便是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和相關(guān)技術(shù)的成熟，用戶通過物聯(lián)網(wǎng)，能夠更加方便、準(zhǔn)確的對設(shè)備完成部署任務(wù)和其他相關(guān)操作。將生產(chǎn)制造設(shè)備聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)，管理者可在任意網(wǎng)絡(luò)覆蓋地點完成對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控操作，極大的節(jié)約了人力、物力等資源。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展也為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的方案提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確、安全的技術(shù)保障。

2 制氫系統(tǒng)方案分析設(shè)計

電解水制氫測控系統(tǒng)由終端控制板、物聯(lián)網(wǎng)平臺、WEB網(wǎng)頁設(shè)計三部分組成，如圖1所示。終端以STM32F407作為主控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理、控制和協(xié)調(diào)各個模塊實現(xiàn)相應(yīng)功能。物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用中國移動OneNET云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理。最后搭建Web應(yīng)用程序，對電解過程的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及處理，通過前端頁面對電解水工藝過程實時監(jiān)控。

3 終端設(shè)計

電解水制氫測控系統(tǒng)終端設(shè)計為系統(tǒng)核心部分，其硬件部分主要包含最小系統(tǒng)電路、電壓轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)通訊、485/USB通訊、信號輸入輸出及處理單元。軟件部分對電解水制氫工藝過程中壓力、溫度、液位、流量等參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)算法運算后對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制以保證設(shè)備安全運行，實現(xiàn)與觸摸屏、云平臺通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 物聯(lián)網(wǎng)平臺

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，多家網(wǎng)絡(luò)運營商均提供物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，平臺能夠提供開發(fā)過程中具體問題的解決方案，是個人或小規(guī)模團(tuán)體開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要方式之一。對比不同運行商提供的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，中國移動推出的OneNET平臺，平臺向開發(fā)者免費提供服務(wù)，且技術(shù)成熟，產(chǎn)品更新速度快，擁有完備的接入學(xué)習(xí)資料，因此確定使用OneNET平臺作為本次設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。OneNET平臺支持多種協(xié)議接入，相互比較后，MQTT協(xié)議具有較小的傳輸開銷，且對惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性強，能夠提供一對多的消息發(fā)布，實現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者之間的解耦，有效提升數(shù)據(jù)傳送效率，最終確定為本次設(shè)計所使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

5 網(wǎng)頁設(shè)計

5.1數(shù)據(jù)獲取流程

監(jiān)控單元與服務(wù)器建立鏈接時，單片機(jī)通過無線模塊向服務(wù)器提供所需接入的注冊設(shè)備信息，主要內(nèi)容有設(shè)備ID、產(chǎn)品ID以及用戶自定義的鑒權(quán)信息。跟據(jù)以上鑒別標(biāo)志，平臺將傳入服務(wù)器的數(shù)據(jù)包保存至指定注冊設(shè)備。平臺向外部應(yīng)用提供Rsetful API數(shù)據(jù)接口，Rsetful API是一種符合REST架構(gòu)的應(yīng)用程序編程接口，通過此接口，用戶可以完成對平臺下注冊產(chǎn)品設(shè)備的管理，對已有的設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳與數(shù)據(jù)獲取等操作。數(shù)據(jù)接口支持多種協(xié)議的訪問，可根據(jù)平臺提供的相應(yīng)例程，結(jié)合具體功能需求，向平臺服務(wù)器發(fā)送規(guī)定指令，服務(wù)器接收到相應(yīng)指令并確認(rèn)鑒別標(biāo)志無誤后，會執(zhí)行與請求內(nèi)容相應(yīng)的操作。當(dāng)用戶需要從服務(wù)器中提取數(shù)據(jù)時，平臺可與第三方應(yīng)用程序通過Rsetful API數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)交流，用戶配置具體的URL定位符，并向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令，平臺接受到指令后，跟據(jù)定位符和請求指令信息搜尋相關(guān)設(shè)備的具體數(shù)據(jù)，查找到相關(guān)數(shù)據(jù)后，會以特定格式將請求數(shù)據(jù)返回，用戶可跟據(jù)返回內(nèi)容，獲取所需數(shù)據(jù)。

5.2 獲取數(shù)據(jù)

OneNET平臺與用戶第三方應(yīng)用程序間采用通用的HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為獲取上傳至平臺中的數(shù)據(jù)，可以使用Fiddler抓包工具向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，服務(wù)器會跟據(jù)發(fā)送請求時設(shè)置的數(shù)據(jù)參數(shù)返回所需數(shù)據(jù)內(nèi)容，HTTP請求方式如圖2所示。其中，定位符URL中的device_id為用戶在平臺中定義的具體設(shè)備ID，api-key為設(shè)備對應(yīng)的API接口驗證序號，平臺為用戶提供多種數(shù)據(jù)參數(shù)，可以對上傳數(shù)據(jù)完成精確定位。

5.3 構(gòu)建應(yīng)用與配置

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)主要分為兩種，一種是客戶端和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S結(jié)構(gòu)），另一種是瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B/S結(jié)構(gòu)）。由于C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用程序的安裝，雖節(jié)省了通訊的開銷，但在靈活性上大大弱于B/S結(jié)構(gòu)。因此，本設(shè)計應(yīng)用采用基于瀏覽器的B/S結(jié)構(gòu)。OneNET平臺向開發(fā)者提供網(wǎng)頁應(yīng)用開發(fā)工具，開發(fā)者可根據(jù)自身需求，使用開發(fā)工具完成對網(wǎng)頁應(yīng)用的快速部署。設(shè)計好的網(wǎng)頁應(yīng)用可向平臺申請?zhí)峤唬峤或炞C后，會為其分配一個指定應(yīng)用地址，訪問此地址便能直接對設(shè)備上傳數(shù)據(jù)信息完成實時監(jiān)控。平臺擁有向第三方應(yīng)用推送數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)用戶配置好與設(shè)備關(guān)聯(lián)的服務(wù)器地址后，一旦檢測到設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，便會自動推送到應(yīng)用服務(wù)器所在地址，跟據(jù)此項功能，可大大擴(kuò)展平臺數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。首先跟據(jù)平臺對第三方應(yīng)用程序的驗證方式完成對服務(wù)器部分的程序編寫，然后使用Tomcat服務(wù)器啟動應(yīng)用程序，再利用ngrok將本地應(yīng)用映射到外網(wǎng)，跟據(jù)外網(wǎng)URL配置平臺第三方應(yīng)用，當(dāng)平臺監(jiān)測第三方應(yīng)用無誤后，便能實現(xiàn)利用第三方程序?qū)ζ脚_服務(wù)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、讀取等操作。

5.4 網(wǎng)頁監(jiān)控應(yīng)用

本次網(wǎng)頁端監(jiān)控畫面設(shè)計使用平臺提供的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，主要包括當(dāng)前設(shè)備實時參數(shù)數(shù)據(jù)和近期數(shù)據(jù)歷史曲線，能較為直觀的體現(xiàn)出當(dāng)前設(shè)備運行狀態(tài)與歷史數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢。網(wǎng)頁監(jiān)控畫面實時數(shù)據(jù)顯示如圖3所示。

6 結(jié)論

本文基于電解水制氫工藝，對工藝流程中各個關(guān)鍵物理量實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，采用MQTT協(xié)議在監(jiān)控單元與OneNET平臺間建立數(shù)據(jù)連接，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲操作。設(shè)計了相關(guān)網(wǎng)頁監(jiān)控畫面，可實時顯示當(dāng)前平臺獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)運行測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能全面，具有易擴(kuò)展低成本等特點，對相關(guān)測控系統(tǒng)的設(shè)計有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]崔曉文.境外“智慧工廠”發(fā)展研究[J].競爭情報，2014，03：38-49

[2]劉駿.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報（教育版），2019，01：110-114

[3]張峰.基于STM32的高校教室智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)，2018

[4]鄒丹.基于Web服務(wù)的醫(yī)院信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].大眾科技，2007，06：37-39