CN109152098B - 基于边缘计算的wifi自组网环境污染监测智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，每个所述智能环境参数传感器均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络分别与智能电动球阀、井下无线路由器数据连接，地面部分包括远程服务器和云存储服务器，所述远程服务器用于接收并存储每个所述井下无线路由器发出的环境状况信息，还用于将所述环境状况信息发送至云存储服务器。本发明具有以下有益效果：本发明采用基于WIFI协议的无线通讯技术，对环境污染传感数据进行监测，这些数据包括温湿度数据、甲烷浓度、PM2.5浓度等，本系统采用的电路简洁，易于控制。

Description

基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，属于互联网应用技术领域。

背景技术

云计算是计算服务的集中化，以最简单的形式利用共享数据中心基础设施和规模经济来降低成本。然而由于井下无线路由器跳数，虚拟化技术的引入带来的数据包延迟或数据中心内的服务器延迟是云计算迁移的关键问题。边缘计算，是一种分散式运算的架构，将应用程序、数据资料与服务的运算，由网络中心节点，移往网络逻辑上的边缘节点来处理。边缘运算将原本完全由中心节点处理大型服务加以分解，切割成更小与更容易管理的部分，分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于用户终端装置，可以加快资料的处理与传送速度，减少延迟。在很多情况下，边缘计算和云计算是共生关系。随着物联网、虚拟现实、增强现实等技术的发展与应用，未来将会出现数据大爆炸的状况。完全依赖云计算来进行数据传输和处理将会造成巨大的网络延迟，边缘计算将数据在边缘节点进行处理能够有效减少数据的传输和处理，但通过云计算的远程存储仍然至关重要。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：为解决上述问题之一，提供一种基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，该系统基于WIFI技术，自行组网，易于实施，监控方便。

本发明所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：包括地面部分以及与其连接的井下部分，井下部分包括智能电动球阀、智能环境参数传感器、井下无线路由器，每个所述智能环境参数传感器均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络分别与智能电动球阀、井下无线路由器数据连接，地面部分包括远程服务器和云存储服务器，所述远程服务器用于接收并存储每个所述井下无线路由器发出的环境状况信息，还用于将所述环境状况信息发送至云存储服务器。

所述智能环境参数传感器包括ESP8266WIFI模块，所述ESP8266WIFI模块的IO引脚处还连接PM2.5浓度检测模块、甲烷浓度检测模块、热释电检测模块、温湿度检测模块、物体运动信号检测模块、射频天线及外围电路，所述ESP8266WIFI模块的信号端通过无线网络分别与智能电动球阀、井下无线路由器相连接。

所述智能电动球阀包括保护外壳、执行机构、电气电路，所述保护外壳包括隔爆腔体部分和本安腔体部分，所述隔爆腔体通过螺栓、弹簧垫圈、平垫圈固定在本安腔体的上方，在隔爆腔体上部的保护外壳顶部开口处插装设有一顶盖，所述顶盖通过螺钉固定在保护外壳上，在隔爆腔体的两侧分别对称且设有一联通节，在各联通节的腔体内由外向内分别依次配合塞设有挡板、挡环、橡胶圈，在各联通节的外端腔体内通过丝扣旋入设有一喇叭口，所述各喇叭口的内端面分别将挡板、挡环、橡胶圈抵紧，在本安腔体内设有一液晶屏，在液晶屏的外侧设有一液晶屏护板组件，所述液晶屏护板组件通过螺丝固定在本安腔体的前侧壁上；所述执行机构包括传动轴、阀体固定托架组件、阀体、减速齿轮组、微型电机，所述减速齿轮组、微型电机均安装在本安腔体的内部下方且通过传动轴与阀体进行连接，所述阀体安装在本安腔体的外侧且通过阀体固定托架组件和螺栓固定在本安腔体的底部；所述电气电路包括，非本安电路线路板、本安电路线路板、控制芯片、控制芯片射频天线、外部射频天线，所述本安电路线路板上焊接有控制芯片，控制芯片上内生有控制芯片射频天线，通过导线与外部射频天线连接。

所述智能电动球阀、智能环境参数传感器、井下无线路由器三者之间通过WIFI信号进行通信，通信协议符合IEEE802.11 bgn标准，2.4GHz。

所述智能电动球阀与智能环境参数传感器之间可以根据802.1x协议自动组网。

所述智能电动球阀和智能环境参数传感器上传的工作状态和检测数据通过井下无线路由器的RS485接口连接到RS485转换器，上传到远程服务器和云存储服务器。

所述基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，还包括若干个移动终端，移动终端与云存储服务器通过网络无线连接，移动终端安装有监测控制APP，用于对环境数据进行分类实时动态曲线展示，历史数据查询，设定报警阈值。实现对井下环境进行智能监测，提高井下环境监测效率。

所述在隔爆腔体内的顶盖外侧壁上的环形凹槽内压设一顶盖防水橡胶环。

所述液晶屏护板组件包括压板、玻璃、橡胶衬垫、紫铜板、固定螺钉、液晶屏护板，所述紫铜板、玻璃、橡胶衬垫、压板分别按从内到外的顺序扣合在所述液晶屏护板上，并分别通过螺丝固定。

所述控制芯片为可编程芯片，内部写有基于Arduino平台的程序。

所述控制芯片采用ESP8266芯片。

所述非本安电路线路板通过螺丝固定在隔爆腔体内部，其内电路元件构成一个开关电源，外部电缆通过喇叭口、橡胶圈、联通节引入，输出通过隔爆腔体底部预留的通孔，经导线或插针与本安电路线路板的输入端子转接。

所述本安电路线路板安装在本安腔体的内部，减速齿轮组和微型电机的上方，经导线或插针与液晶屏连接。

本发明的工作原理：智能环境参数传感器可以监测以下环境数据：环境湿度，环境温度，甲烷浓度，PM2.5浓度、热释电（人体感应）信号以及物体运动信号。在同一个路由覆盖范围内，智能电动球阀能够与一个或数个智能环境参数传感器通过智能电动球阀内置的配网开关实现自动组网，SSID、PASSWORD、网关、IP地址和子网掩码存储在智能电动球阀本安电路板上的EEPROM内。智能环境参数传感器通过各传感模块的电信号变化，通过内部ESP8266芯片的运算，变为相应的数字信号（环境参数），并通过ESP8266内生的WIFI信号模块进行发送，该WIFI信号制式符合IEEE802.11 bgn标准通信协议（2.4GHz），能够被井下无线路由器和智能电动球阀所接收。智能电动球阀接收到智能环境参数传感器传送的数据，通过内部的ESP8266芯片中预先写入的程序进行计算、判断，并依程序的计算结果对自身的开关状态进行调整。智能电动球阀每次改变自身开关状态时，通过ESP8266内生的WIFI信号模块发送一次WIFI信号，该WIFI信号制式符合IEEE802.11 bgn标准通信协议（2.4GHz），能够被井下无线路由器所接收。井下无线路由器接收到的智能环境参数传感器环境参数信号和智能电动球阀状态信号通过RS485总线上传至RS485转以太网转换器，接入远程服务器和云数据存储服务器，移动终端从云数据服务器获该数据。远程服务器或移动终端如需手动调整某一编号的智能电球阀的当前状态时，指令将通过RS485总线或云服务器传达到井下无线路由器，并由井下无线路由器通过WIFI信号发送到指定编号的智能电动球阀，该电动球阀会先对该指令进行逻辑判断，如该指令与电动球阀当前接收到的智能环境传感器信号的优先级冲突，则忽略该指令；否则，执行该指令。远程服务器软件能够通过对智能环境传感器历史检测数据的自动分析，智能判断环境污染源的产生地段，从而自动调整该地点智能电动球阀的开关延时时间，以达到有效治理环境污染的目的。

所述智能环境参数传感器所检测到的环境参数，通过WIFI信号发送，由智能电动球阀和井下无线路由器所接收。智能电动球阀能够通过所接收到的环境参数，不依赖远程服务器网络（主干网络）的联通与否，经过ESP8266及其内写入的程序进行计算，自主判定是否开闭。

智能电动球阀的历史开关状态和智能环境传感器的历史检测数据存储于远程服务器和云服务器中，可以追溯查询。远程服务器通过对智能环境传感器历史检测数据的自动分析，可以预判环境污染源的产生地段，从而自动调整该地点智能电动球阀的开关延时时间，以达到有效治理环境污染的目的。在主干网络导通的前提下，远程服务器和移动终端可以实时监视智能电动球阀的当前工作状态，可以实时监视智能环境传感器的监测数据。在主干网络导通以及符合智能电动球阀自洽规则的前提下，远程服务器和移动终端可以实时人工干预智能电动球阀（边缘节点）的当前工作状态。远程服务器和移动终端具有环境污染达到严重程度时的告警功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，利用边缘计算和云数据存储技术，研制新一代智能环境污染控制系统，提高设备利用效率，改善大气环境，实现环境污染控制设备数字化、信息化、智能化和升级换代。本发明采用基于WIFI协议的无线通讯技术，对环境污染传感数据进行监测，这些数据包括温湿度数据、甲烷浓度、PM2.5浓度等，本系统采用的电路简洁，易于控制。而且，每一台电动执行机构均可与任意一种传感器之间构成一个网络，网内的两个设备可以通过设定进行配对、识别，设备之间可以相互无线通讯，无需通过路由即可由传感器控制电动球阀；所有的电动执行机构和传感器之间可组成一个大网络，该网络中的每一个电动执行机构都可以通过服务器中的控制程序和移动终端控制程序进行控制，每一台传感器的监测数据都能被监控程序读取，对煤矿井下环境监测控制、石油管道运输、智慧城市建设具有特别的意义。

附图说明

图1为本发明的网络拓扑图；

图2为本发明的原理框图；

图3为智能电动球阀的结构图；

图4为液晶屏护板组件的剖视结构示意图。

图中：1、顶盖 2、喇叭口 3、挡板 4、挡环 5、橡胶圈 6、联通节 7、隔爆腔体8、外部射频天线 9、本安腔体 10、液晶屏护板组件 11、液晶屏 12、传动轴 13、阀体固定托架组件 14、阀体 15、减速齿轮组 16、微型电机 17、本安电路线路板 18、ESP8266芯片 19、控制芯片射频天线 20、非本安电路线路板 21、顶盖防水橡胶环 22、压板 23、橡胶衬垫 24、固定螺钉 25、玻璃 26、紫铜板 27、液晶屏护板 28、智能电动球阀 29、智能环境参数传感器 30、井下无线路由器 31、远程服务器 32、云存储服务器 33、移动终端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例一

如图1-4所示，所述基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，，包括地面部分以及与其连接的井下部分，井下部分包括智能电动球阀28、智能环境参数传感器29、井下无线路由器30，每个所述智能环境参数传感器29均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络分别与智能电动球阀28、井下无线路由器30数据连接，地面部分包括远程服务器31和云存储服务器32，所述远程服务器31用于接收并存储每个所述井下无线路由器30发出的环境状况信息，还用于将所述环境状况信息发送至云存储服务器32。

本实施例中，所述智能环境参数传感器29包括ESP8266WIFI模块，所述ESP8266WIFI模块的IO引脚处还连接PM2.5浓度检测模块、甲烷浓度检测模块、热释电检测模块、温湿度检测模块、物体运动信号检测模块、射频天线及外围电路，所述ESP8266WIFI模块的信号端通过无线网络分别与智能电动球阀28、井下无线路由器30相连接；所述智能电动球阀28包括保护外壳、执行机构、电气电路，所述保护外壳包括隔爆腔体7部分和本安腔体9部分，所述隔爆腔体7通过螺栓、弹簧垫圈、平垫圈固定在本安腔体9的上方，在隔爆腔体7上部的保护外壳顶部开口处插装设有一顶盖1，所述顶盖1通过螺钉固定在保护外壳上，在隔爆腔体7的两侧分别对称且设有一联通节6，在各联通节6的腔体内由外向内分别依次配合塞设有挡板3、挡环4、橡胶圈5，在各联通节6的外端腔体内通过丝扣旋入设有一喇叭口2，所述各喇叭口2的内端面分别将挡板3、挡环4、橡胶圈5抵紧，在本安腔体9内设有一液晶屏11，在液晶屏11的外侧设有一液晶屏护板27组件10，所述液晶屏护板27组件10通过螺丝固定在本安腔体9的前侧壁上；所述执行机构包括传动轴12、阀体固定托架组件13、阀体14、减速齿轮组15、微型电机16，所述减速齿轮组15、微型电机16均安装在本安腔体9的内部下方且通过传动轴12与阀体14进行连接，所述阀体14安装在本安腔体9的外侧且通过阀体固定托架组件13和螺栓固定在本安腔体9的底部；所述电气电路包括，非本安电路线路板20、本安电路线路板17、控制芯片、控制芯片射频天线19、外部射频天线8，所述本安电路线路板17上焊接有控制芯片，控制芯片上内生有控制芯片射频天线19，通过导线与外部射频天线8连接；所述智能电动球阀28、智能环境参数传感器29、井下无线路由器30三者之间通过WIFI信号进行通信，通信协议符合IEEE802.11 bgn标准，2.4GHz；所述智能电动球阀28与智能环境参数传感器29之间可以根据802.1x协议自动组网；所述智能电动球阀28和智能环境参数传感器29上传的工作状态和检测数据通过井下无线路由器30的RS485接口连接到RS485转换器，上传到远程服务器31和云存储服务器32；还包括若干个移动终端33，移动终端33与云存储服务器32通过网络无线连接，移动终端33安装有监测控制APP，用于对环境数据进行分类实时动态曲线展示，历史数据查询，设定报警阈值。实现对井下环境进行智能监测。

所述控制芯片采用ESP8266芯片18，ESP8266芯片18的具体结构属于公知常识，ESP8266 芯片系列模组是安信可（Ai-thinker）公司采用乐鑫ESP8266芯片18开发的一系列wifi 模组模块；当然在使用时也可以根据需要选择市面上现有的功能与ESP8266芯片18相同或类似的现有芯片即可，选择不同的芯片在进行引脚连接时安装人员根据具体芯片的各个功能性引脚所处位置的不同进行适应性的调整，这些属于本领域技术人员所熟知的惯用引脚连接方式和引脚封装操作方式，并不存在相应的创新点，只是属于本领域操作人员的公知常识。

非本安线路板采用非本质安全电路设计方式设计。非本质安全电路是指在规定的试验条件下，在正常工作或规定的故障状态下，产生的电火花和热效应均会导致点燃规定的爆炸性气体混合物的电路。所述的非本安电路实质为一开关电源，其工作原理是将外部引入的127VAC电源进行变压、整流、滤波为12V/480mA DC，为本安电路板供电，并提供双过流、双过压保护和光电隔离，使其符合国家强制性防爆标准。所述的开关电源电路可以通过上海恒率等电源模块厂家的产品，选择不同的元件进行二次开发，并不存在相应的创新点，只是属于本领域技术人员的公知常识。

本质安全电路是指在规定的试验条件下，在正常工作或规定的故障状态下，产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路。所述的本安电路板其工作原理是利用非本安电路板提供的12V/480mA DC的电源，将其进行分流：一路12V供给微型电机，控制微型电机的正向转动和反向转动；一路通过相关电路（LM2576）降压为5V给显示屏供电；还有一路在5V的基础上通过相关电路（AMS1117）再降压为3.3V，给ESP8266供电。所述的微型电机、显示屏（淘晶驰）、ESP8266（安信可）均为市场上能购买到的产品，其周边的控制电路均有其相应的电气规范，并不存在相应的创新点，只是属于本领域技术人员的公知常识。

电动执行机构的组网：在移动终端上连接路由器，打开移动终端上的配网软件，输入路由器的SSID和PASSWORD，按住电动执行机构上的配网按钮，打开电动执行机构的电源，等待wifi模块LED指示灯快闪后，松开电动执行机构上的配网按钮，在移动终端上点击“确认”按钮，开始配网。等到移动终端上显示“配置成功”，配网完成。

SSID、PASSWORD、网关、IP地址和子网掩码存储在电动执行机构本安线路板上的EEPROM内。

具体使用时，可以将配网成功的电动执行机构安装固定在煤矿井下巷道壁上或吊挂在综采工作面支架上或其它施工环境中，将127V电源用电缆线通过联通节6接入隔爆腔体7内，通过电动执行机构内置的ESP8266芯片18，电动执行机构能够自动与附近的智能环境参数传感器进行通信，自动配对组网，降低了尤其是煤矿井下施工布线的难度。

以煤矿井下使用为例。

将智能电动球阀28、智能环境参数传感器29和井下无线路由器30上电，按下智能电动球阀28上的自动配网开关，在移动终端33上输入井下无线路由器的帐号和密码，点击“确定”后即完成自动配网。完成配网的智能电动球阀28、智能环境参数传感器29和井下无线路由器30可安装在煤矿井下任意地点，免设置，免布线，通电即可使用，自动组成无线网络。

智能环境参数传感器29检测到的环境参数数据通过WIFI信号发送到智能电动球阀，该数据经过智能电动球阀线中ESP8266芯片中预先写入的程序进行计算，如有数据超出程序设定范围，则智能电动球阀执行相应的开关动作。

当智能环境传感器的检测数据发生改变，或智能电动球阀的当前状态发生改变，都会通过ESP8266内生的无线收发模块发送WIFI信号，井下无线路由器接收到该信号后，经RS485总线、RS485转以太网转换器上传数据到远程服务器和云服务器进行存储、显示，移动终端通过云服务器获取该数据。

当智能环境传感器的检测数据发生严重超标且无法消除的情况时（比如甲烷浓度持续超标），远程服务器和移动终端会同时产生警告信号，以供井上决策人员采取相应措施。

当远程服务器需手动调整某一编号的智能电球阀的当前状态时，指令将通过RS485转以太网转换器、RS485总线传达到井下井下无线路由器，并由井下井下无线路由器通过WIFI信号发送到指定编号的智能电动球阀，该电动球阀会先对该指令进行逻辑判断，如该指令与电动球阀当前接收到的智能环境传感器信号的优先级冲突，则忽略该指令（比如：洒水范围内有人车通过，电动球阀会自动忽略开指令，以避免淋人淋车；粉尘或甲烷浓度严重持续超标时，电动球阀会自动忽略关指令，以免造成生产安全事故）；否则，执行该指令。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：包括地面部分以及与其连接的井下部分，井下部分包括智能电动球阀、智能环境参数传感器、井下无线路由器，每个所述智能环境参数传感器均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络分别与智能电动球阀、井下无线路由器数据连接，地面部分包括远程服务器和云存储服务器，所述远程服务器用于接收并存储每个所述井下无线路由器发出的环境状况信息，还用于将所述环境状况信息发送至云存储服务器，所述智能电动球阀包括保护外壳、执行机构、电气电路，所述保护外壳包括隔爆腔体部分和本安腔体部分，所述隔爆腔体通过螺栓、弹簧垫圈、平垫圈固定在本安腔体的上方，在隔爆腔体上部的保护外壳顶部开口处插装设有一顶盖，所述顶盖通过螺钉固定在保护外壳上，在隔爆腔体的两侧分别对称且焊接设有一联通节，在各联通节的腔体内由外向内分别依次配合塞设有挡板、挡环、橡胶圈，在各联通节的外端腔体内通过丝扣旋入设有一喇叭口，所述各喇叭口的内端面分别将挡板、挡环、橡胶圈抵紧，在本安腔体内设有一液晶屏，在液晶屏的外侧设有一液晶屏护板组件，所述液晶屏护板组件通过螺丝固定在本安腔体的前侧壁上；所述执行机构包括传动轴、阀体固定托架组件、阀体、减速齿轮组、微型电机，所述减速齿轮组、微型电机均安装在本安腔体的内部下方且通过传动轴与阀体进行连接，所述阀体安装在本安腔体的外侧且通过阀体固定托架组件和螺栓固定在本安腔体的底部；所述电气电路包括，非本安电路线路板、本安电路线路板、控制芯片、控制芯片射频天线、外部射频天线，所述本安电路线路板上焊接有控制芯片，控制芯片上内生有控制芯片射频天线，通过导线与外部射频天线连接。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：所述智能环境参数传感器包括ESP8266WIFI模块，所述ESP8266WIFI模块的I/O引脚处还连接PM2.5浓度检测模块、甲烷浓度检测模块、热释电检测模块、温湿度检测模块、物体运动信号检测模块、射频天线及外围电路，所述ESP8266WIFI模块的信号端通过无线网络分别与智能电动球阀、井下无线路由器相连接。

3.根据权利要求2所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：所述智能电动球阀、智能环境参数传感器、井下无线路由器三者之间通过WIFI信号进行通信，通信协议符合IEEE802.11 b/g/n标准，2.4GHz。

4.根据权利要求3所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：所述智能电动球阀与智能环境参数传感器之间可以根据802.1x协议自动组网。

5.根据权利要求4所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：所述智能电动球阀和智能环境参数传感器上传的工作状态和检测数据通过井下无线路由器的RS485接口连接到RS485转换器，上传到远程服务器和云存储服务器。

6.根据权利要求5所述的基于边缘计算的WIFI自组网环境污染监测智能控制系统，其特征在于：还包括若干个移动终端，移动终端与云存储服务器通过网络无线连接，移动终端安装有监测控制APP，用于对环境数据进行分类实时动态曲线展示，历史数据查询，设定报警阈值，实现对井下环境进行智能监测。

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