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基于物联网技术的餐饮业油烟在线监测系统的研究
摘要：本文利用物联网技术，构建了一套餐饮企业智能油烟在线监测系统，该系统前台由厨房端和管道端组成，通过网关接入云平台管理系统，实时监控烟道阀门的启闭、变频风机的启停与风速及功率调节、油烟浓度数据等。结合动态参数的持续变化和云平台大数据的对比分析，提高餐饮企业的油烟净化综合监控能力，以便实现部门对餐饮企业的油烟数化管制。
关键词:在线监测；油烟净化；物联网；数字化
1引言
餐饮业作为我国第三产业中一个重要的传统服务性行业，因其市场大、增长快、影响广、吸纳就业能力强的特点而广受重视。从餐饮油烟净化治理的状况来看，由于餐饮企业众多且分散，只能简单地监测油烟净化系统各设备的开关状态，一般只要烟道阀门和风机设备处于开启状态，就判定为油烟排放正常即所谓的排放达标；对于油烟净化设备的工作状态是通过监测油烟净化设备的运行功率等参数的变化进行判别；其洁净程度则是根据定期数据记录或净化器上吸附油烟杂物的情况来判别是否需要清洗。随着嵌入式、无线通信和多传感器融合技术的成熟和广泛应用，各种物联网技术集成应用在油烟监测系统中，将有益于提高企业对油烟净化综合监控能力、给予及环保部门数字化指标，推动人与自然和谐发展。
2系统体系架构
图 1 系统整体架构
该智能油烟在线监测系统的整体架构分为三个模块，即前台控制器、通信网关和服务器，整体架构如图1所示。
前台控制器部分包括厨房端和管道端，其中厨房端由一个主控制器与两个从控制器组成，每个控制器可管理两个罩台加四个炉头的标准组合，主从控制器之间采用 RS485双绞线通信，主控制器、管道端与网关之间均采用无线通信。
网关连接前端设备与云平台，实现数据与信令的转发，每个系统布设一个网关。网关与前端设备之间采用 Lora 无线通信协议通信，默认为两个无线信道并行通信。厨房主控制器与管道端的无线信道与网关的任一无线信道一致才能通信。一般情况下，可先统计厨房端主控制器数量加一个管道端，然后平均分配到网关的两个信道上。为了避免单一信道交互堵塞，网关与云平台之间采用4G无线协议通信。
服务器层作为数据存储和处理的核心空间，可以实现不同餐饮企业任一时刻多组传感器监测数据的交互。智能油烟在线监测系统运行在 Tomcat服务器上，采用的是Spring Boot设计模式的请求驱动型的轻量级 Web 框架，为用户提供其所需的实时系统运行情况，支持用户以浏览器方式对油烟净化系统智能化监测与控制。
3系统硬件设计
无论厨房端控制器还是管道端控制器都是通过网关进行数据交互，并上传给服务器供后台统计和管理。
3.1 厨房端主控电箱
厨房端主控电箱连接控制的传感器、烟道阀门等设备如图2所示。当炉头上方温度探头测量到当前温度比环境温度高4度以上时，即判定为厨师已启动炉头开始烹饪，系统自动打开烟道阀门、启动烟罩风机，并上传炉头运作信息到网关层，随后网关会即时通知管道端启动相关设备。在整个烹饪过程中，厨房端控制器会连续地采集当前炉头上方测量的温度和环境温度数据、烟道阀门启闭状态、烟罩风机功率等参数并上传到系统服务器。当炉头上方温度探头测量到温度与当前环境温度大致相同后，会关闭烟罩风机和烟道阀门，并上传厨房端炉头关闭信息到网关，随后网关通知管道端并进行相应调控。
图 2 厨房端电箱控制图
3.2 管道端主控电箱
管道端主控电箱连接控制的传感器、风机等设备如图3所示。管道端控制器根据接收通过网关传来的厨房端炉头点火信息和测量烟道内油烟浓度信息，启动变频风机、净化器和除味器等相关设备，并按照预设置的参数模式智能自行调控净化功率和变频风机功率。管道端控制器连接的传感器等设备的运行信息直接上传到网关，网关转发到厨房端显示其厨房端运行状态。
图 3 管道端电箱控制图
3.3 无线网关
网关作为智能油烟在线监测系统的数据交互中心，需要配置各信道间的无线参数、各厨房主从控制器与管道端控制器地址、本机自身地址及服务器相关参数等。在网关参数配置中，需要在各信道参数配置下，因为管道端先填入管道端地址再填入与该管道端相连的厨房主从控制器地址，网关会根据本配置提取参数信息数据转发给服务器。本机及服务器的网络配置，主要是配置本机的缺省（默认）网络地址。
一般情况下，系统默认开启 DHCP 服务器，允许服务器向客户端动态分配 IP 地址，连接成功后会自动读取配置信息；若采用DHCP服务器未能成功分配地址，则需点击“禁用”再手动输入相应本机IP地址，连接成功后亦自动读取配置信息。心跳配置中的IP地址和端口即为服务器的IP和通信端口，一般情况服务器不变更无需重新配置。其中包间隔为上传数据间隔，因为该系统的运行环境对数据的交互并不是毫秒级的要求，所以启用移动数据通信时在此设置心跳间隔可以降低网络流量的浪费，以此节约系统运营成本。
4系统软件设计
在智能油烟在线监测系统中，软件层面的设计至关重要，为了实现系统的智能化和化，需要建立一个足够清晰的数据中心。由网关将设备的工作状况信息持续传到服务器的数据中心，系统一定时间间隔扫描数据库中的数据表，分析计算后传到系统前端供管理员查看。其中Web服务器采用的是MySQL 数据库，主要表单如表1 所示。
表 1 系统数据库的主要表单
Web 服务器从数据库服务器中提取已存储的数据，按照系统的功能需求进行提炼，将相应的数据进行整合统计展现给系统平台。整个平台主要包括五大功能模块，数据监控、地图监控、数据统计、消息中心和系统管理。
例如油烟在线监测系统就是对餐饮企业烟道出口处的油烟进行浓度实时采样，以得到油烟浓度的准确量化的数据，为了确保净化后的油烟浓度能达到规定的排放标准，尽量减少油烟排放后对环境的污染。数据监控显示在系统的首页，用户登录成功后即可看到当前油烟设备的工作状态，包括阀门开关状态、净化器开关状态及其功率、风机开关状态及其功率、净化前后的油烟浓度等所有监测终端设备工作状态的信息。
数据统计功能模块主要是通过分析计算出油烟净化系统在一定时间内的平均浓度、温度、湿度和能耗等数据，能够及时、较为完整地反映餐饮企业的油烟排放情况及趋势，进行前端整合绘制出各时间段内的饼状图和曲线图让用户更直观的看到油烟净化的整体情况。
针对餐饮企业分布零散但广泛的情况，本系统在设计中应用到了百度地图开源的 JavaScript API应用程序接口。在标注的地点上能够显示该餐饮企业的位置详情及实时参数等。随着餐饮企业的不断注册植入，该地图监控功能日后对于在所有用户里查找目标用户的需求来讲提供了便利性。
消息中心功能模块里主要分为两个部分，实时报警和用户反馈，一旦系统通过数据的实时监测发现异常时会发送报警信息给餐饮企业；当净化设备异常时用户可以通过消息中心发送反馈信息给系统管理员。
而第五个功能模块的权限只限于系统管理员，其拥有系统的使用权限。例如每当一个新餐饮企业时，需要管理员进行系统注册，对安装设备的种类和数量进行登记，然后分配账号给餐饮企业，企业就可以查看浏览油烟净化设备的工作状况等详情。
该智能油烟在线监测系统充分利用了第四代移动通信技术的高速传输特性；结合了低功耗设计的设备和自动化的调控技术使得餐饮企业油烟净化系统的能效比显著提升；通过大数据分析给予餐饮企业故障预警，未故障、先预警。
5安科瑞AcrelCloud3500餐饮油烟监测云平台
为了弥补现存餐饮行业在烟油监测上的漏洞，同时便利监管部门的监察，安科瑞油烟监测云平台应运而生。油烟监测模块通过2G/4G与云端平台进行通信和数据交互，系统能够对企业餐饮设备的开机状态、运行状态进行监控；实现开机率监测，净化效率监测，设施停运告警，待清洗告警，异常告警等功能；对采集数据进行统计分析、排名等统计功能；较之传统的静电监测方案，更具性和实效性。平台预留与其他应用系统、设备交互对接接口，具有很好的扩展性及融合性。
5.1平台结构
平台GIS地图采集餐饮油烟处理设备运行状态和油烟排放的浓度数据，自动对超标排放及异常企业进行提示预管部门可迅速进行处理，督促餐饮企业整改设备，并定期清洗、维护，实现减排环保，不等目的。现场安装监测终端，持续监测油烟净化器的工作状态，包括设备运行的电流、电压、功率、耗电量等等，同时结合排烟口的挥发性物质、颗粒物浓度等进行对比分析，一旦排放超标，系统会发出异常信号。
■ 油烟监测设备用来监测油烟、颗粒物、NmHc等数据
■ 净化器和风机配合对油烟进行净化处理，同时对净化设备的电流、电压进行监测
■ 设备通过4G网络将采集的数据上传至远程云端服务器
5.2 平台主要功能
(一)在线监测
对油烟排污数据的监测，包括油烟排放浓度，颗粒物，NmHc等数值采集监测;同时对监控风机和净化器的启停状态、运行数据进行监测。
(二)告警数据监测
系统根据采集的油烟数值大小，产生对应的排放超标告警;对净化器的运行数据分析，上传净化设备对应的运行、停机、故障等告警事件。
(三)数据分析
运行时长分析，离线分析;告警占比、排名分析;历史数据统计等。
(四)隐患管理
系统对采集的告警数据分析，产生对应的隐患记录，派发、处理隐患，及时处理告警，形成闭环
(五)统计分析
包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块
(六)基础数据维护
个人信息、权限维护，企业信息录入，对应测点信息录入等
(七)数据服务
数据采集，短信提醒，数据存储和解析
5.3油烟监测主机
油烟监控主机是现场的管理设备，实时采集油烟浓度探测器和工况传感器的信号，进行数据处理，通过有线或无线网络通讯将数据传输到服务器平台。同时，对本地数据进行存储，监控现场设备状态，提供人机操作界面。
具体技术参数如下：
5.4 设备选型方案
注：双探头适合双排烟通道的场合，每路探头监测1路排烟通道。
6结语
油烟污染已经成为了我国三大污染源之一及环保相关部门对油烟污染控制的制定标准不太完善，导致对餐饮业油烟污染的控制与执行存在大量灰色问题。
油烟监控系统的嵌入能实时显示油烟净化设备运行工况、出风口污染物指数和设备维护提醒等智能化功能。它让一切数据可视化，让客户实时掌握设备的动态信息，让环保相关部门规范监督管理有据。
针对餐饮企业任一时间节点的油烟实时数据的统计与计算，智能油烟在线监测系统只是在原有油烟净化设备的前提下进行监测与分析，今后的研究会放在大数据处理方面，希望通过对大量餐饮企业的油烟排放各项指标参数进行分析、算法运算得到油烟净化设备效益的额定功率，提供设备设计厂商相符合市场的标准参数设定。
