基于ARM+OneNET云平台的工厂车间环境监控系统设计

吴繁森

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

近些年，制造业的智能化发展倍受推崇，物联网技术的发展也为工厂智能化提供了技术支持[1-3]。工厂车间的工作环境复杂，且人流量较大，车间中的环境变化影响着工人的工作效率和生产安全，如不适宜的灯光会使得工作人员产生视觉疲劳，化工材料加工车间的有毒气体严重威胁着人们的身体健康。因此对工厂车间的关键环境因素进行实时监测十分必要。本文设计了基于ARM+OneNET云平台的工厂车间环境监控系统，针对工厂内温度、湿度、光线和空气质量进行实时监测，并上传至OneNET云平台。管理人员可以了解到工厂车间内环境变化情况和设备的运行情况。此系统智能化程度高、可拓展性强，在实际应用中有着重要意义。

本系统由主控芯片、检测模块、控制模块、通信模块和OneNET云平台组成。检测模块由各环境传感器组成，包括温湿度传感器、光照强度传感器、空气质量传感器。控制模块主要依据环境参数变化实现对车间内日光灯、空调、加湿器、蜂鸣器的控制。通信模块将数据上传到云平台，实现数据的远程监测。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

检测模块将获取的车间环境信息，包括温度、湿度、光强、空气质量，传递给主控芯片，主控芯片根据接收的环境参数来决策控制模块的动作，并将数据通过通信模块上传至OneNET云平台。

本系统硬件由STM32主控芯片、复位电路、晶振电路、温湿度传感器模块、光强传感器模块、空气质量传感器模块、通信模块、继电器、蜂鸣器组成。硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路

2.1 主控芯片及外围电路

本系统选用的主控芯片为STM32F103VET6，该款芯片包含100个引脚，工作频率可达72 MHz；
其内部资源十分丰富，包含多个ADC、定时器和通信接口，可满足不同情况下的使用需求。在主控芯片基础上设置了复位电路，当复位按键按下时会重置内部寄存器以及片内SRAM。晶振是整个单片机系统的心脏，系统选用8 MHz的晶振提供时钟信号。

2.2 温湿度传感器

为实时监测工厂内温湿度的变化情况，选择了DHT11作为温湿度传感器。DHT11由电阻式感湿单元和NTC测温元件组成，输出标准数字信号量[4]，具有体积小、功耗低、稳定性高、数据精准、使用方便等优点[5]。

2.3 光强传感器

选用GY-30光强传感器模块来检测车间内环境光变化，该模块以BH1750FVI为核心，感光范围可达1～65535 lx；
其内部的光电二极管检测到光模拟量，再由模块内部ADC转换为数字量，直接通过I2C总线与主控制器通信[6]。该款传感器适用范围广泛、分辨率高、可靠性强。

2.4 空气质量传感器

本系统选用MQ-135传感器来检测工厂内空气质量。该传感器输出端口有两个，分别是DO和AO，其中DO用于输出数字量，AO用于输出模拟量。当被检测环境的空气质量达到阈值时，MQ-135的DO输出高电平。AO输出的模拟量连接到主控制器上的ADC模块来读取数据。当MQ-135检测数据超出设定阈值时，可触发蜂鸣器报警。

2.5 通信模块

本设计通过WiFi网络将数据上传到OneNET云平台，ESP8266模块通过TCP/IP协议完成数据到WiFi信号的转换[7]。ESP8266可通过AT指令来实现不同工作模式的转换，一般分AP、STA、AP+STA三种工作模式。该传感器性能稳定、能耗低、集成度高，非常适合于工厂环境使用。

2.6 继电器

为改善工厂内的环境，需要远程对车间内的部分电器如空调、加湿器、日光灯进行控制，而单片机无法直接对这些大功率电器进行控制。因此，在本设计中使用继电器实现单片机对大功率电器的控制。通过主控芯片控制继电器的通断，进而完成车间内大功率设备的开启与关闭，实现弱电对于强电的控制[8]。

3.1 OneNET云平台搭建

OneNET云平台由中国移动提供[9]，使用便捷，只需在添加产品时选择联网方式和设备接入协议以及其他产品信息。本系统基于MQTT协议以WiFi联网方式与OneNET平台进行通信。MQTT协议基于TCP/IP协议，具有轻量化、成本低、开放性强等特点，被广泛应用于物联网中[10]。将各传感器读取到的数据按照固定的报文格式进行封装后，发送至OneNET平台。

3.2 WiFi通信模块程序设计

当系统上电后，按下复位键，即可开始对WiFi模块进行配置并与OneNET云平台进行连接。程序通过AT指令完成以下功能：设置SAT模式、连接路由器、进入透传模式、连接服务器。

3.3 程序功能设计

传感器模块实时采集工厂车间内环境信息，并将数据实时上传至云平台。系统启动时，按下复位按键，开始连接无线网络和服务器，同时各传感器模块开始采集数据。当光强传感器检测数值低于或高于阈值时（设置为300 lx），主控制芯片打开车间内灯光。当温度高于或低于设定阈值时（设置为低温20 ℃，高温30 ℃），打开空调或关闭空调进行温度调节。当湿度高于或低于阈值时（设置为30%），打开或关闭加湿器；
当空气质量传感器检测数据高于阈值时（设置为3 000），触发蜂鸣器报警。在OneNET云平台上也可实时观察各可控设备的开关状态。程序流程如图3所示。

图3 程序流程

3.4 系统测试

OneNET云平台实时更新系统上传的各传感器数据并标明工厂内设备的开关状态。结果符合设计预期，如图4所示。

图4 实验结果

本文实现了单片机技术与OneNET云平台相结合，能够针对工厂内关键环境因素进行监控，并让后台人员了解到环境参数变化和设备启用情况。为工厂工人提供一个安全、舒适的环境，提高了工厂的智能化程度。