基于模块化研发的智能环境监测平台
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摘 要：目前我国环境监测企业多以中小型企业为主，相比于大型企业，中小型企业技术储备不足、研发力量薄弱等问题突出。同时在行业整体技术升级阶段，中小型企业还将面临开发新产品而导致研发成本上升等问题出现。针对以上问题，文中阐述了基于模块化开发的智能监测平台，首先将完整的产品研发分解为多个模块化功能组件，之后通过模块不同的组合实现产品功能。在保证产品功能的前提下，尽可能降低成本，提高研发效率，充分满足产品的可定制化与可重构性，以减轻中小型企业的研发支出及产品交付压力。
关键词：模块化;平台化;环境监测;研发平台;x86工控机;中小型企业
中图分类号：TP273;X831 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）03-00-04
0 引 言
随着工业技术的迅猛发展，新技术不断涌现，各类工业产品的升级换代远远快于以往。面对市场和客户新的需要以及不断上涨的成本压力，环境监测行业中传统的产品研发思路及产品维护方法已无法满足当下的需求。很多企业需要具有可以灵活升级，并可以给客户提供定制化方案的产品研发平台。同时，该研发平台还需要兼具研发周期短和生产成本低等优势，而模块化的产品设计便很好地解决了这个问题。
1 智能检测平台的模块化设计思路
模块化的理念最早由大众公司提出，并应用于汽车工业[1]。模块化设计可以把某一款产品分解成一系列功能模块，再采用类似搭积木的手法，通过模块间不同的选择和组合构成不同产品以满足市场和客户需求。
在模块化设计思路下，可以将完整的产品视为由一个核心功能模块与多个子功能模块构成。各功能模块只需满足各自固定的产品标准和对外接口即可（功能模块可以对外采购或使用上一代产品的功能模块），无需对每个模块进行重新研发和生产。从根本上改变了产品的设计模式，使得研发部门能够更加轻松地完成研发和调试工作，将产品的功能和技术都提升至同期较高水平[2]。产品在现场遇到问题时只需更换存在故障的模块，无需对整个设备进行替换，对于产品的维修亦如此。当对该研发平台的核心模块、核心技术以及工艺技术进行升级和替换时，又可以产生新一代研发平台[3]。在这种思路下，无论是产品的定制化升级还是换代升级，都不需要对整个产品进行重新研发，只需针对某一部分模块和技术进行升级和换代即可。
本文阐述的智能监测平台依靠上述模块化设计理念，通过多种独立的功能模块，在统一的接口和架构下进行有机整合，有效解决了产品研发中面临的成本上升及研发周期过长等问题。
为了理清相关结构和内在逻辑关系，本文定义了以下概念，相关结构和逻辑关系如图1所示。
（1）研发平台：指由一个核心模块外加多个子功能模块组合而成的整体，其中既包含硬件也包含软件。研发平台具有完整的功能与一定的可拓展性，可通过对其中子功能模块的调整来衍生出可满足不同需求的产品。
（2）功能模块：是从研发平台中分解出的一个功能部件，本身也是一个具有独立功能的产品。功能模块具有通用性，可匹配研发平台的软件或是硬件接口，可自主研发或对外采购。
（3）核心模块：一个研发平台中只有一个核心模块（个别情况也可能有双核心或多核心），其中包含企业的核心技术与核心竞争力。与普通模块不同，核心模块一般不轻易改动。核心模块的更换意味着研发平台的升级和换代，但新核心模块应保留一定的向下兼容性，即部分现有的功能模塊仍能够被新的核心模块兼容。
模块化设计思路具有如下优点：
（1）降低整套产品的复杂性，提高通用性;
（2）各功能模块之间相对独立，不干扰相互之间的采购或研发进度;
（3）大大缩短研发周期并降低研发成本;
（4）产品的结构和功能清晰，便于现场维护和升级;
（5）降低研发新产品的风险。
2 研发平台设计
2.1 研发平台结构及工作原理
智能环境监测的研发平台主要包含主控模块、供电模块、PM2.5/PM10监测模块、LED显示模块、气象五参数模块、噪声模块、摄像头模块和网络模块等。其中主控模块用于控制其他模块，并对采集的数据做本地处理。PM2.5/PM10监测模块负责监测空气中的颗粒物，适用于大气污染及工地扬尘等监测场景，可根据不同的需求配置PM2.5或PM10监测设备。摄像头模块为监测系统提供图像信息，并在污染报警时抓拍现场画面用于执法取证。所有的监测数据最终都通过网络模块传送到后台服务器，通过后台服务器向相关部门发送污染报警信息。拥有权限的操作员既可以查看后台数据，也可以通过服务器后台调整数据上传间隔和摄像头角度等。外部用户可随时通过手机、平板电脑或笔记本电脑查看最新的现场情况。除此之外，研发平台还要预留一些硬件接口，以便后期增加新功能。所有的硬件模块都可以通过自由组合以适应不同行业的需求，软件和后台也可以通过功能的增减和不同权限的设置来为客户提供定制化服务。结构示意如图2所示。
2.2 硬件设计
2.2.1 主控模块
主控模块是研发平台的核心，它既要承担控制其他模块的任务（发送相关操作指令），还必须存储和处理本地数据。工业控制中常用的几种控制模块是PLC、单片机、ARM架构的工控机和x86架构的工控机。PLC简单易用、可靠性高，但价格较高，且数据处理能力弱，不适合应用在该智能监测领域。16位和32位单片机的优点是可靠性高、价格便宜，但处理能力较弱、代码的开发周期长并对开发人员有较高的要求。ARM架构属于功能较强的单片机，一般工业产品中Cortex-A8架构和Cortex-A9架构较为常见。这类工控机处理能力比普通单片机强，并且易于拓展，但是只能够运行Linux或Android系统。相较之下，虽然x86架构的工控机价格最高，但通用性好，既可以运行Windows系统，也可以运行Linux系统，且数据处理能力强、工业接口丰富，易于后期研发新功能，主控模块无需频繁升级。 本文选用研华公司设计生产的ARK-1124C超紧凑型工控机。该工控机外形小巧、尺寸合适，采用Intel Celeron N3350双核处理器（x86架构）、内存最大支持8 GB、4个工业串口（可设置RS 232或是RS 485）、USB接口和以太网接口，可以根据项目需求选择Windows或Linux系统，完全可以满足监测领域的需求。此外，ARK-1124C采用无风扇设计，自带看门狗计时器，可靠性和稳定性均有保障。
2.2.2 供电模块
供电模块选用开关电源供电。开关电源具有高效率、高可靠性、体积小以及防浪涌和防雷电等特性[4]，能将外部的220 V交流电压（AC）转化为5 V，12 V，24 V等适合电子设备工作的直流电压（DC）。在不同的项目中，开关电源型号的选择需根据项目中所有模块的功率之和，及各自的工作电压作为参考。
2.2.3 PM2.5/PM10监测模块
Thermo Scientific（赛默飞世尔）的ADR-1500扬尘监测仪采用光浊度技术，具有精度高、响应速度快、灵敏度高等优势。同时还配置了加热器，可以有效抑制湿度增加后带来的误差，进一步提升设备在不同环境下的通用性，同时也节約了这一部分自主研发的成本，适用于多种复杂扬尘场景的监测。ADR-1500根据不同的项目可选择USB，RS 232或无线传输等通信方式与主控模块连接，通过不同的设置分别测量PM10或PM2.5数据。
对于有些需要大规模布点，但对精度要求又不高的项目而言，可以考虑更换较为便宜的扬尘监测仪，以降低成本，提高产品竞争力。
2.2.4 LED显示模块
LED显示模块采用LED电子屏，用于显示实时现场数据。对于固定位置安装的监测点，选择尺寸较大的LED电子屏，以同时显示所有现场环境数据。对于需要移动监测的点，则选用小尺寸LED电子屏，便于安装，数据信息采用屏幕滚动的方式显示。
2.2.5 气象五参数模块
气象五参数常见于环保领域的数据监测。气象五参数分别为温度、湿度、大气压、风速和风向。其中温度和湿度监测可以集成在一个传感器中;风速和风向传感器直接安装在户外;温湿度传感器和大气压传感器需放置在百叶箱内。气象五参数模块选用RS 485接口，数据采集协议使用Modbus协议。所有的气象五参数设备可共用一个接口与主控模块相连接，高效、简洁且节约成本。
2.2.6 噪声模块
噪声模块可以实时监测现场的噪声污染，并及时向主控模块发送信息，为城管和环保部门的执法提供依据。本文采用万胜通的WST60M型工程噪音计模块，通过RS 232串口连接主控模块。
2.2.7 网络模块
网络模块选用力必拓公司设计研发的T260S工业级无线路由器。T260S结构小巧便于安装，支持目前主流的3G/4G网络，可用于不同的运营商网络。对于某些无线网络无法覆盖的区域，可以使用网络模块自带的10/100M以太网口连接外网。但对于现场网线架设超过50 m的情况则需要增加POE供电模块。此外，T260S还有WiFi无线接口，可以在现场组建无线局域网，既方便现场的调试工作，又能拓展其他带有WiFi功能的模块。
2.2.8 摄像头模块
摄像头选用海康威视设计生产的DS-2DE5230W和DS-2DE4220IW-D/GLT系列摄像头。DS-2DE5230W安装方便，无需繁琐的综合布线。摄像头既可以直接通过以太网口连接到工控机，也可以接在路由器的局域网中。该设备内置云台，操作人员通过相关指令可以控制摄像头转动来选择合适的监控角度。在需要多个摄像头的现场，对于离主机较远且无法连接网线的地方，采用选装4G模块的DS-2DE4220IW-D/GLT系列摄像头，监控数据直接通过4G网络向后台服务器传输。
2.2.9 拓展功能
ARK-1124C型工控机硬件接口丰富，后期可以根据客户的需求增加设备开箱报警和GPS定位等功能，也可以通过连接电磁阀或继电器来控制更多现场设备。T260S工业级无线路由器自带的WiFi可以在信号覆盖区域内组建无线局域网络[5]。建筑工地里的一些大型设备如洗轮机和雾炮机均无遥控功能，只能手动控制，因此通过对这些设备加装工业级WiFi电磁阀，便能将这些设备归入自建无线局域网中，然后远程控制洗轮机和雾炮机的开关。
2.2.10 低成本方案
某些企业已有将单片机作为核心模块的研发平台，但核心模块数据处理能力弱，无法处理图像信息和本地数据。这些平台通过增加DS-2DE4220IW-D/GLT系列摄像头作为附加模块，使用4G网络与后台服务器相连，将现场的图像抓拍和摄像头角度调整都交由后台服务器控制，并将现场数据上传至后台服务器。由基于单片机的监测模块和4G摄像头模块组成的研发平台虽然功能有限，但成本低，适合密集布点的监测场景。
2.3 软件设计
2.3.1 系统的选择
研华ARK-1124C超紧凑型工控机采用x86架构，既可以运行Linux系统也可以运行Windows系统。本文选用Windows Embedded Standard 7（WES7）—微软针对工业控制领域推出的专用版本。相比Linux系统，Windows系统的研发门槛低，无论出厂前调试或现场维护都更加方便。虽然使用Windows系统需要向微软支付一定的费用，但在后期的开发中也可以获得微软的技术支持[6]。此举虽然增加了设备成本，但降低了研发成本，大大提高了研发效率。对于有一定技术积累的公司则可以根据自身情况选择Linux系统。
2.3.2 监测系统工作原理
监测系统软件具有数据监测、数据上传、报警抓拍、后台推送等功能，汇总的信息与后台服务器相连。后台采用 B/S结构，将核心模块集中到服务器上，使用浏览器通过Web Server对数据库进行访问。后台服务器可以设置各模块的数据采集间隔时间，也可以通过监测系统软件向各模块发送最高优先级的指令，如紧急数据上传、摄像头角度调整
等[7]。当监测系统软件正常运行时，采集到的数据定时向后台服务器传输，一旦现场的污染值超标，后台服务器向本地监测系统软件发送拍照指令，将采集到的图像信息立即上传至后台服务器，然后向相关人员或执法监督部门报警。监测系统采集到的图像信息会作为执法依据，一并向执法监督部门发送。监测系统软件工作流程如图3所示。
2.3.3 自动重启设置
为了保障监测设备稳定运行，采取以下措施：
（1）在工控机的BIOS中设置上电自动重启，以防止现场断电而导致设备停机;
（2）在硬盘中分别设置系统盘和数据盘，需要本地保存和处理的数据放在数据盘中，系统盘只安装操作系统和监测软件，并且监测软件设置为开机自动启动;
（3）为了避免系统冗余文件的累积，设定系统每天定时重启，并且系统盘重启后自动还原。
ARK-1124C型工控机自带看门狗功能。看门狗是一种计数器，可由软件设置不同的间隔时间。在系统正常工作时，会定时清零看门狗计数器（“喂狗”）。反之，计数器溢出（超过设置的间隔时间），产生一个复位信号使系统重启。通过这种机制可以在程序运行出现故障时使系统强制重启。
2.4 智能化
2.4.1 大數据智能
目前各行各业的产品和服务都在朝着智能化的方向发展。在环境监测行业中，随着物联网技术和大数据技术的发展，后台数据库的信息日趋完善。大数据智能可以进一步深化并利用已有信息。实现方法：通过对历史数据的挖掘和比对，寻找数据与突发事件之间的因果关系及内在逻辑，并在反复实验的基础上形成相应的仿真模型，并利用模型对现场各监测点的数据进行汇总和综合分析，以对突发污染事件做出预警，并对事件的发展趋势做出科学、合理的推断[8]。可以此为依据，为问题的解决提供机器决策或辅助决策。
2.4.2 移动端的数据查看和操作
微信小程序等可以轻松的在手机或平板电脑上查看现场的实时数据，并在出现污染的第一时间收到后台推送的报警信息。在移动端上还可以操作部分现场设备，如洗轮机和雾炮机。建筑工地需要对进出的渣土车进行清洗，驾驶员无需下车即可在手机上操作，完成对洗轮机和雾炮机车辆的清洗工作。这样操作即便捷又安全，同时后台的操作记录还能用来核实渣土车是否按规定进行清洗。
2.4.3 车辆识别
监测平台除监测现场的环境数据外，还需要监测和记录现场的车辆进出和停放情况。针对车辆的识别，采用边缘检测算法及Hough直线检测算法将摄像头监测场景中的车位分割，然后依据检测的车位线来精确定位车位的具体位置[9]。识别系统工作时首先进行图像采集，然后进行图像预处理，之后进入特征提取和判断阶段。如果判断有车辆占用，在向后台发送该车位位置信息后，此次车位检测流程结束;如果判断无车辆占用，则结束流程。无论是否检测到车位占用信息，结束后系统将进入图像采集阶段，开始新流程。车位检测流程如图4所示。
2.5 展望
针对本文中的车位识别，后期可以选用目前较为成熟的车牌算法，将车牌的识别也一起应用到车辆识别检测中。在确定有车辆后，进一步识别出车辆的车牌信息，进而对每一个时段进出的车辆做到精确定位和记录。对于渣土车等需要清洗的车辆更可以对比清洗前后的照片来判断清洗效果以及号牌和车身标识等是否清晰。
在加入人脸识别功能之后，可以让现场维护人员在工作时远程打卡。设备维护人员进入工作区域后，后台截取上传图片中的面部特征信息并与公司内部数据库做比对，以识别对应的工作人员。同时对于现场经常出现的可疑人员，后台数据库也可记录备案。
基于x86架构+Windows Embedded Standard 7系统的组合不仅功能强大且通用性好、研发门槛低，今后还可以在环境监测平台的基础上加入污染治理设备，如引入定时清洗和排污控制设备等，通过主控模块控制，将监测和治理管控集于一体。
3 平台测试
模块化研发平台测试部分的主要内容是对各模块功能的测试，效果分别如图5和图6所示。气象五参数及噪声监测仪等均正常工作，摄像头也可向后台传送现场图像信息，并通过后台切换不同的摄像头。本次测试中包括移动端数据的查看和对现场设备的远程操作，而这也恰恰是后续项目的拓展方向。
4 结 语
本文介绍了基于模块化研发的智能环境监测平台，其设计方案的优势在于降低了研发费用、缩短了产品研发周期，同时还能保证产品质量。为了适应技术的不断发展，中小型企业对于产品研发需要具有新的认知，即每一个产品都可以拆分为多个功能模块，每个模块都是一个可独立运作的子系统[10]，不同模块之间的选择与组合可以组成不同的产品。不光研发部门，企业的管理层也要有相应的认知，对项目和采购采用扁平化管理，以便充分利用公司内部资源，提高效率，为企业降低风险与成本。一个成熟的研发平台既可满足现阶段的需求，也易于今后新功能的拓展和产品的升级换代。
参 考 文 献
[1]赵福全，刘宗巍，李赞.汽车产品平台化模块化开发模式与实施策略[J].汽车技术，2017（6）：1-6.
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[3]江诗松，龚丽敏.产品平台的概念、模式和管理过程[J].管理学家（学术版），2010（10）：59-66.
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[9] HUO H，LI D. News video text area positioning based on an improved trajkovic corner detector[J].International journal of future generation communication and networking，2016，9（11）：215-228.
[10]青木昌彦，安藤晴彦.模块时代[M].上海：上海远东出版社，2003：5-6.
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