基于物联网云平台的电厂废气在线监测系统研究

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　　摘 要：从电厂的生产实际出发，采用低功耗的STM32为核心处理器。通过信号采集模块、信号处理模块、无线通信模块完成数据的采集和传输，并结合物联网技术，实现在云平台查询数据，为电厂和环保部门提供科学依据。
　　关键词：STM32;信号采集;信号处理;无线通信;物联网技术
　　1 绪论
　　火电厂在发电过程中，煤的燃烧会产生SO2，NOx等有害气体，这些气体的排放参数如果不加监测和控制，会成为大气污染物的重要组成部分，同时这类气体的大量排放也會对土壤、水源和田地等造成较大的威胁。[1]因此实时准确的监测电厂废气的排放指标就显得尤为重要。[2]
　　从煤电企业的生产实际出发，通过结合物联网技术、测控技术、嵌入式系统控制、传感器等关键技术，对基于物联网云平台的电厂废气排放在线监测系统进行研究。[3]对电厂的废气排放进行多参数、多节点的监测，突破了传统监测系统监测参数较少、网关节点较单一、实时性较差、数据利用率低、信息发布平台维护成本较高、监测过程繁杂等问题。
　　2 硬件设计研究
　　系统的硬件设计采用STM32为主要控制模块。核心处理器采用嵌入式编程的方式完成气体传感器信号的采集，从硬件和软件设计方面均采用相应的措施，确保实现终端的低功耗。数据采集终端采用PM2.5、PM10和SO2传感器测量排放气体数据及位置监测。测量数据需要备份，一份用于存储，一份用于上传至云平台。根据电厂排放数据监测的实际需求，设置采集节点和汇聚节点，采集节点完成各个采集终端气体数据的采集，由信号处理电路进行AD转换、滤波等处理过程，通过SIM900完成被测数据的短距离传送。汇聚节点可以看作采集节点的父级节点，由信号处理模块，无线通信模块组成，无线通信模块是电厂废气传输的关键部分，要做到采用的模块功耗尽可能低，同时也要考虑满足电厂监测系统的各项功能。
　　节点之间的通信采用nRF24L01单片射频收发器件，它工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA。在数据传输方面实现相对WiFi距离更远。
　　考虑到电厂的实际位置等因素，汇聚节点主要利用4G通信传输模块完成数据的传送。这是汇聚节点与采集节点在数据传输方式上的主要区别。
　　3 软件设计研究
　　数据包经广域通信模块直接或间接发送到物联网云平台存储与发布，Linux系统云服务器对数据进行储存和处理，用web app访问云平台数据，实现气体数据信息查询。从技术架构上看，物联网中的感知层由各种传感器以及传感器网关构成，其中包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、摄像头、GPS等感知终端。感知层起的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。网络层由互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与电厂及环保部门的需求相结合，设计上位机软件，设计人性化界面，对监测到的数据进行图形化的显示和分析，实现物联网的智能应用，为电厂及环境监管部门提供准确科学的数据，并可根据需要进行功能扩展。
　　4 结语
　　该系统将物联网技术与测控技术应用于废气监测系统，实现了电厂废气的有效监控。以STM32为核心处理单元，采用嵌入式方式进行编程，通过气体传感器、AD转换模块完成NOx、SO2等数据的采集，通过信号处理模块、无线通信模块、定位模块实现数据的处理和传输，并在处理器中对数据进行备份，分别用于显示存储和发送至云平台，自行设计上位机软件实现数据的远程获取、分析与处理。系统采用了低功耗芯片及模块，延长了系统的使用周期。不易发生故障;维护量较小，能够提供完全的在线操作及实时监测，满足现代数字化电厂的要求。该系统不仅适用于电厂废气监测，还能扩展到其他应用领域的监测系统中。
　　参考文献：
　　[1]王金雷.烟气在线监测系统在某火电厂的应用[J].化工设计通讯，2018，44，264.
　　[2]朱永波.烟气排放连续监测系统在热电厂的应用分析[J].炼油与化工，2017，28（1）：56-58.
　　[3]宋亚奇，周国亮，朱永利.云平台下输变电设备状态监测大数据存储优化与并行处理[J].中国电机工程学报，2015，35（2）.
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