杨嘉嘉，路 晶
（中国民用航空飞行学院，四川 德阳 618000）
全球范围内大气污染日趋严重，已经严重破坏了生态平衡，甚至开始危及人类的生存。大气污染对人体健康、工农业、气候环境的消极影响已成为全球关注的焦点。其中，化学工业是排放大气污染物非常严重的领域之一，必须进行严格控制和彻底治理。因此，在生产过程中，必须考虑控制污染源，加强工厂可燃气体浓度检测，才能科学地优化工艺，合理地加大环保投资。
我国城市化和工业化的高速发展使得能源消耗迅速增大，经济与环境问题的冲突也日趋尖锐。我国化工厂多且分布广，且化工厂环境复杂、监测预警设备不完善[1]等，化工厂爆炸性事故时有发生。近年来，在国家统筹推进的“五位一体”的总体布局指导下，在发展化工产业市场地位的同时也更加注重生态的可持续发展以及重工业产业的绿色转型，还围绕化工行业环保发展领域颁发了一系列重要的政策和法规。国家加大科技研发投入，鼓励智能制造行业的发展，许多智慧监测、云计算等技术结合型企业如雨后春笋般蓬勃发展。随着时代的发展更加趋向形成基于标准化绿色数据的可持续绿色生产方式，构建以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系[2]，建立产、学、研合作平台[3]。
智能化工厂是智能化工业的一个典型场景映射。本文设计的智能化工厂可燃气体监测系统由Hi3861开发板、华为云ECS弹性服务器、鸿蒙系统设备三大模块组成，主要实现了工厂多场景可燃气体浓度监测实时性的提高、对危险情况的报警和场景信号灯的控制，这在一定程度上实现了物联网技术在灾害预防方面的具体应用。
根据智慧化工园区的设计要求，本系统主要由Hi3861芯片、MQ-2可燃气体传感器、蜂鸣器、MQTT传输协议、鸿蒙系统终端设备等部分组成。鸿蒙系统设备终端通过MQTT传输协议与Hi3861开发板连接，实现对工厂内可燃气体浓度的实时监测和数据传输。用户的设备终端在联网情况下持续刷新显示场景参数并且可以对场景内各执行器进行控制。系统整体框图设计如图1所示。
图1 系统整体框图
2.1 Hi3861模块
Hi3861 WLAN模组是一款高度集成的2.4 GHz WLAN SoC芯 片， 集 成IEEE 802.11b/g/n基 带 和RF（Radio Frequency）电路，支持Open Harmony，并配套提供开放、易用的开发和调试运行环境。Hi3861 WLAN模组可以通过与Hi3861底板连接，扩充自身的外设能力。Hi3861芯片集成高性能32 bit微处理器、硬件安全引擎以及丰富的外设接口，外设接口包括 SPI（Synchronous Peripheral Interface）、UART（Universal Asynchronous Receiver & Transmitter）、I2C（The Inter Integrated Circuit）、PWM（Pulse Width Modulation）、GPIO（General Purpose Input/Output） 等 ；
芯片内置SRAM（Static Random Access Memory）和FLASH，可独立运行，并支持在FLASH上运行程序。Hi3861芯片适用于智能家电等物联网智能终端领域。本文的智能化工厂环境监测系统的Hi3861开发模组设计如图2所示。
图2 Hi3861开发板模组
2.2 功能模块选取与设计
本系统所选模块都属于工业级传感器，具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长、响应恢复快速等优点[4]，主要包括温湿度传感器、可燃气体传感器。采用传感器测量工厂内主要环境参数。具体型号见表 1 所列。
表1 传感器型号一览表
终端模块分别依靠AHT20温湿度传感器和MQ-2可燃气体传感器进行数据采集、解析和传输。在监测系统中，可燃气体传感器型号为半导体可燃气体传感器MQ-2，它是一款对丙烷、烟雾的灵敏度高、对天然气和其他可燃蒸气的检测也很理想的气体传感器，检测浓度为300～10 000 ppm，控制方式是Hi3861通过J7接口ADC引脚上报检测结果。AHT20温湿度传感器的的测量范围为-40～80 ℃（温度误差为±0.3%），湿度区间为0%～80%RH（相对湿度误差为±2%RH），其中Hi3861通过J7接口SCL引脚、SDA引脚以I2C接口方式访问该传感器，GPIO13连接SDA引脚，GPIO14连接SCL引脚。传感器模组如图3所示。
图3 传感器模组
3.1 主要模块程序设计
根据系统的主要功能和硬件结构，该智能化工厂可燃气体监测系统的软件设计主要包括MQTT模块程序设计、智能终端APP程序设计两部分。在同一无线数据通信网络下，MQTT协议使用发布/订阅消息模式进行数据传输，同时与智能终端APP进行信息交换。
3.2 MQTT模块程序设计
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种“轻量级”协议，它基于发布和订阅的通信模式，可以一对多地传输数据，适合鸿蒙系统分布式的特点。MQTT同时基于客户端-服务器端模式，构建于TCP/IP协议之上，可以很大程度地解除应用程序耦合。MQTT会构建底层网络传输，即在客户端和服务器之间建立有序、无损、基于字节流的双向传输通道。MQTT的优点如下：利用极少量的代码配合有限的带宽连接远程设备，并为其面对面提供可靠、实时的服务。MQTT低开销、低带宽占用的优势，使其在物联网开发和移动应用等方面获得广泛关注，尤其在分布式系统方面的应用更为广泛。
实现MQTT协议由客户端和服务器端通信共同完成，在通信过程中MQTT协议中有发布者、代理（服务器）、订阅者三种身份。其中，客户端由消息的发布者和订阅者组成，其中消息发布者也可以是订阅者，而消息代理充当服务器的角色。在应用数据通过MQTT网络发送的过程中MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关联，具有较强的通信能力、处理能力和发送能力，能够将数据发送至远程控制端[5]。具体实现方式如图4所示。
图4 MQTT实现方式
3.3 智能终端APP程序设计
本文中化工厂可燃气体监测APP系统主要由环境监测、通信传输、远程控制三个模块组成。开发板的主控芯片可作为发布方客户端或接收方客户端与MQTT服务器相连，实现数据的传输和对执行器件的控制。随着移动端系统的不断升级优化，前端开发变得方便、简单，控件形式也变得多种多样[6]。此系统APP设计主要由DevEco Studio实现，可应用于手机、手表、掌上电脑等设备。
3.3.1 登录界面设计
APP登录界面设计涉及三部分代码，分别是JAVA源代码、资源文件和系统文件。JAVA源代码确定了APP登录界面不同控件的主要功能的实现办法，资源文件负责结构布局、元素样式的设计，而系统文件则包括了基础的配置、识别界面中的组件。该系统的登录界面构成如图5所示。
图5 系统登录界面构成
3.3.2 主控界面设计
根据智能化工可燃气体监测系统的功能需求，主控界面主要由环境监测、通信传输、远程控制三个模块组成。用户通过创建好的账号和密码登录后，登录界面自动跳转到主控界面，界面上可以控制通道信号灯、排风扇状态等。主控界面流程如图6所示。
图6 主控界面流程
后台在登录界面中设置事件侦听器监听按钮事件，并且增添滑动分页功能，使得该用户能够使用该APP同时监测相同类型的多个场景，可以通过手机/手表或者OLED屏幕手动控制相应单元工作，实现人性化不定时工作[7]，且一旦按钮事件发生，通过意图组件实现附加功能。
智能化工厂可燃气体监测系统搭建完成后，系统整体均可正常运行，功能实现与预期一致。若后续在调试过程中出现问题，则继续完善和改进。系统联网后，所有硬件正常工作。点击屏幕图标，运行APP，显示登录界面，如图7所示，输入账号和密码，登录进入功能界面。
图7 登录界面
如图8所示，通过MQTT实时发布和接收采集的环境信息，可以在手机APP相应界面中刷新显示，左右滑动页面可查看多个场景的环境参数。在界面底部点击报警器、信号灯等按钮，可以更直观、便捷地根据实时接收的数据做出决策，控制执行设备，改变设备状态，同样执行设备的状态也会实时显示。
图8 功能界面
本文所设计的系统主要是由Hi3861芯片、MQ-2可燃气体传感器、蜂鸣器、MQTT传输协议、鸿蒙系统终端设备等部分组成。基本实现了本系统的预期目标，如对终端各类参数的采集与发送、异常数据报警和智能处理、手机终端随时随地查看等功能[8]。但本系统还存在值得改进的地方，比如：Hi3861芯片属于L0级别的轻量系统级芯片，不适合大数据的存储传送；
智能设备终端APP功能还需要进行数据分析、消息推送等功能优化。结合物联网和鸿蒙系统的发展，除了实现环境温湿度数据的采集与传输，并将温湿度自动化监控与预警应用[9]到该化工厂场景中，本系统还可以基于用户的使用习惯实现部分个性化功能以及用于多数有需要的场景，例如适应不同分辨率的终端设备、监控园区的不同分区等。系统有助于实现生产环境的可视化智能监测[10]，与云计算、人工智能等技术相结合，打造更加全面的智能化工业体系，实现经济、环境效益最优化。