餐飲業(yè)油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)架構(gòu)的研究

1引言

餐飲業(yè)作為我國第三產(chǎn)業(yè)中一個重要的傳統(tǒng)服務(wù)性行業(yè)，因其市場大、增長快、影響廣、吸納就業(yè)能力強的特點而廣受重視。從餐飲油煙凈化治理的狀況來看，由于餐飲企業(yè)眾多且分散，只能簡單地監(jiān)測油煙凈化系統(tǒng)各設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，一般只要煙道閥門和風(fēng)機設(shè)備處于開啟狀態(tài)，就判定為油煙排放正常即所謂的排放達標；對于油煙凈化設(shè)備的工作狀態(tài)是通過監(jiān)測油煙凈化設(shè)備的運行功率等參數(shù)的變化進行判別；其潔凈程度則是根據(jù)定期數(shù)據(jù)記錄或凈化器上吸附油煙雜物的情況來判別是否需要清洗。隨著嵌入式、無線通信和多傳感器融合技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用在油煙監(jiān)測系統(tǒng)中，將有益于提高企業(yè)對油煙凈化綜合監(jiān)控能力、給予政府及環(huán)保部門數(shù)字化指標，推動人與自然和諧發(fā)展。

2系統(tǒng)體系架構(gòu)

圖 1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為三個模塊，即前臺控制器、通信網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器，整體架構(gòu)如圖1所示。前臺控制器部分包括廚房端和管道端，其中廚房端由一個主控制器與兩個從控制器組成，每個控制器可管理兩個罩臺加四個爐頭的標準組合，主從控制器之間采用 RS485雙絞線通信，主控制器、管道端與網(wǎng)關(guān)之間均采用無線通信。

網(wǎng)關(guān)連接前端設(shè)備與云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信令的轉(zhuǎn)發(fā)，每個系統(tǒng)布設(shè)一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與前端設(shè)備之間采用 Lora 無線通信協(xié)議通信，默認為兩個無線信道并行通信。廚房主控制器與管道端的無線信道與網(wǎng)關(guān)的任一無線信道一致才能通信。一般情況下，可先統(tǒng)計廚房端主控制器數(shù)量加一個管道端，然后平均分配到網(wǎng)關(guān)的兩個信道上。為了避免單一信道交互堵塞，網(wǎng)關(guān)與云平臺之間采用4G無線協(xié)議通信。

服務(wù)器層作為數(shù)據(jù)存儲和處理的核心空間，可以實現(xiàn)不同餐飲企業(yè)任一時刻多組傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互。智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)運行在 Tomcat服務(wù)器上，采用的是Spring Boot設(shè)計模式的請求驅(qū)動型的輕量級 Web 框架，為用戶提供其所需的實時系統(tǒng)運行情況，支持用戶以瀏覽器方式對油煙凈化系統(tǒng)智能化監(jiān)測與控制。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

無論廚房端控制器還是管道端控制器都是通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交互，并上傳給服務(wù)器供后臺統(tǒng)計和管理。

3.1 廚房端主控電箱

廚房端主控電箱連接控制的傳感器、煙道閥門等設(shè)備如圖2所示。當爐頭上方溫度探頭測量到當前溫度比環(huán)境溫度高4度以上時，即判定為廚師已啟動爐頭開始烹飪，系統(tǒng)自動打開煙道閥門、啟動煙罩風(fēng)機，并上傳爐頭運作信息到網(wǎng)關(guān)層，隨后網(wǎng)關(guān)會即時通知管道端啟動相關(guān)設(shè)備。在整個烹飪過程中，廚房端控制器會連續(xù)地采集當前爐頭上方測量的溫度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、煙道閥門啟閉狀態(tài)、煙罩風(fēng)機功率等參數(shù)并上傳到系統(tǒng)服務(wù)器。當爐頭上方溫度探頭測量到溫度與當前環(huán)境溫度大致相同后，會延時關(guān)閉煙罩風(fēng)機和煙道閥門，并上傳廚房端爐頭關(guān)閉信息到網(wǎng)關(guān)，隨后網(wǎng)關(guān)通知管道端并進行相應(yīng)調(diào)控。

圖 2 廚房端電箱控制圖

3.2 管道端主控電箱

管道端主控電箱連接控制的傳感器、風(fēng)機等設(shè)備如圖3所示。管道端控制器根據(jù)接收通過網(wǎng)關(guān)傳來的廚房端爐頭點火信息和測量煙道內(nèi)油煙濃度信息，啟動變頻風(fēng)機、凈化器和除味器等相關(guān)設(shè)備，并按照預(yù)設(shè)置的參數(shù)模式智能自行調(diào)控凈化功率和變頻風(fēng)機功率。管道端控制器連接的傳感器等設(shè)備的運行信息直接上傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到廚房端顯示其廚房端運行狀態(tài)。

圖 3 管道端電箱控制圖

3.3 無線網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)作為智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互中心，需要配置各信道間的無線參數(shù)、各廚房主從控制器與管道端控制器地址、本機自身地址及服務(wù)器相關(guān)參數(shù)等。在網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置中，需要在各信道參數(shù)配置下，因為管道端先填入管道端地址再填入與該管道端相連的廚房主從控制器地址，網(wǎng)關(guān)會根據(jù)本配置提取參數(shù)信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。本機及服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置，主要是配置本機的缺省（默認）網(wǎng)絡(luò)地址。

一般情況下，系統(tǒng)默認開啟 DHCP 服務(wù)器，允許服務(wù)器向客戶端動態(tài)分配 IP 地址，連接*后會自動讀取配置信息；若采用DHCP服務(wù)器未能*分配地址，則需點擊“禁用”再手動輸入相應(yīng)本機IP地址，連接*后亦自動讀取配置信息。心跳配置中的IP地址和端口即為服務(wù)器的IP和通信端口，一般情況服務(wù)器不變更無需重新配置。其中包間隔為上傳數(shù)據(jù)間隔，因為該系統(tǒng)的運行環(huán)境對數(shù)據(jù)的交互并不是毫秒級的要求，所以啟用移動數(shù)據(jù)通信時在此設(shè)置心跳間隔可以降低網(wǎng)絡(luò)流量的浪費，以此節(jié)約系統(tǒng)運營成本。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

在智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)中，軟件層面的設(shè)計至關(guān)重要，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，需要建立一個足夠清晰的數(shù)據(jù)中心。由網(wǎng)關(guān)將設(shè)備的工作狀況信息持續(xù)傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)一定時間間隔掃描數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表，分析計算后傳到系統(tǒng)前端供管理員查看。其中Web服務(wù)器采用的是MySQL 數(shù)據(jù)庫，主要表單如表1 所示。

表 1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要表單

Web 服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中提取已存儲的數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)的功能需求進行提煉，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行整合統(tǒng)計展現(xiàn)給系統(tǒng)平臺。整個平臺主要包括五大功能模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)控、地圖監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、消息中心和系統(tǒng)管理。

例如油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)就是對餐飲企業(yè)煙道出口處的油煙進行濃度實時采樣，以得到油煙濃度的準確量化的數(shù)據(jù)，為了確保凈化后的油煙濃度能達到*規(guī)定的排放標準，盡量減少油煙排放后對環(huán)境的污染。數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示在系統(tǒng)的首頁，用戶登錄*后即可看到當前油煙設(shè)備的工作狀態(tài)，包括閥門開關(guān)狀態(tài)、凈化器開關(guān)狀態(tài)及其功率、風(fēng)機開關(guān)狀態(tài)及其功率、凈化前后的油煙濃度等所有監(jiān)測終端設(shè)備工作狀態(tài)的信息。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能模塊主要是通過分析計算出油煙凈化系統(tǒng)在一定時間內(nèi)的平均濃度、溫度、濕度和能耗等數(shù)據(jù)，能夠及時、較為完整地反映餐飲企業(yè)的油煙排放情況及趨勢，進行前端整合繪制出各時間段內(nèi)的餅狀圖和曲線圖讓用戶更直觀的看到油煙凈化的整體情況。

針對餐飲企業(yè)分布零散但廣泛的情況，本系統(tǒng)在設(shè)計中應(yīng)用到了百度地圖開源的 JavaScript API應(yīng)用程序接口。在標注的地點上能夠顯示該餐飲企業(yè)的位置詳情及實時參數(shù)等。隨著餐飲企業(yè)的不斷注冊植入，該地圖監(jiān)控功能日后對于在所有用戶里查找目標用戶的需求來講提供了便利性。

消息中心功能模塊里主要分為兩個部分，實時報警和用戶反饋，一旦系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常時會發(fā)送報警信息給餐飲企業(yè)；當凈化設(shè)備異常時用戶可以通過消息中心發(fā)送反饋信息給系統(tǒng)管理員。

而第五個功能模塊的權(quán)限只限于系統(tǒng)管理員，其擁有系統(tǒng)的使用權(quán)限。例如每當一個新餐飲企業(yè)入戶時，需要管理員進行系統(tǒng)注冊，對安裝設(shè)備的種類和數(shù)量進行登記，然后分配賬號給餐飲企業(yè)，企業(yè)就可以查看瀏覽油煙凈化設(shè)備的工作狀況等詳情。

該智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)充分利用了第四代移動通信技術(shù)的高速傳輸特性；結(jié)合了低功耗設(shè)計的設(shè)備和自動化的調(diào)控技術(shù)使得餐飲企業(yè)油煙凈化系統(tǒng)的能效比顯著提升；通過大數(shù)據(jù)分析給予餐飲企業(yè)故障預(yù)警，未故障、先預(yù)警。

油煙污染已經(jīng)成為了我國三大污染源之一，政府及環(huán)保相關(guān)部門對油煙污染控制的制定標準不太完善，導(dǎo)致對餐飲業(yè)油煙污染的控制與執(zhí)行存在大量灰色問題。油煙監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入能實時顯示油煙凈化設(shè)備運行工況、出風(fēng)口污染物指數(shù)和設(shè)備維護提醒等智能化功能。它讓一切數(shù)據(jù)可視化，讓客戶實時掌握設(shè)備的動態(tài)信息，讓環(huán)保相關(guān)部門規(guī)范監(jiān)督管理有據(jù)。

針對餐飲企業(yè)任一時間節(jié)點的油煙實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與計算，智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)只是在原有油煙凈化設(shè)備的前提下進行監(jiān)測與分析，今后的研究重點會放在大數(shù)據(jù)處理方面，希望通過對大量餐飲企業(yè)的油煙排放各項指標參數(shù)進行分析、算法運算得到油煙凈化設(shè)備效益的額定功率，提供設(shè)備設(shè)計廠商相符合市場的標準參數(shù)設(shè)定。

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