基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的餐飲業(yè)油煙在線(xiàn)監測系統的研究

摘要：本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構建了一套餐飲企業(yè)智能油煙在線(xiàn)監測系統，該系統前臺由廚房端和管道端組成，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入云平臺管理系統，實(shí)時(shí)監控煙道閥門(mén)的啟閉、變頻風(fēng)機的啟停與風(fēng)速及功率調節、油煙濃度數據等。結合動(dòng)態(tài)參數的持續變化和云平臺大數據的對比分析，提高餐飲企業(yè)的油煙凈化綜合監控能力，以便實(shí)現*部門(mén)對餐飲企業(yè)的油煙數化管制。

關(guān)鍵詞:在線(xiàn)監測；油煙凈化；物聯(lián)網(wǎng)；數字化

1引言

??餐飲業(yè)作為我國第三產(chǎn)業(yè)中一個(gè)重要的傳統服務(wù)性行業(yè)，因其市場(chǎng)大、增長(cháng)快、影響廣、吸納就業(yè)能力強的特點(diǎn)而廣受重視。從餐飲油煙凈化治理的狀況來(lái)看，由于餐飲企業(yè)眾多且分散，只能簡(jiǎn)單地監測油煙凈化系統各設備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一般只要煙道閥門(mén)和風(fēng)機設備處于開(kāi)啟狀態(tài)，就判定為油煙排放正常即所謂的排放達標；對于油煙凈化設備的工作狀態(tài)是通過(guò)監測油煙凈化設備的運行功率等參數的變化進(jìn)行判別；其潔凈程度則是根據定期數據記錄或凈化器上吸附油煙雜物的情況來(lái)判別是否需要清洗。隨著(zhù)嵌入式、無(wú)線(xiàn)通信和多傳感器融合技術(shù)的成熟和廣泛應用，各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應用在油煙監測系統中，將有益于提高企業(yè)對油煙凈化綜合監控能力、給予*及環(huán)保部門(mén)數字化指標，推動(dòng)人與自然和諧發(fā)展。

2系統體系架構

圖 1 系統整體架構

??該智能油煙在線(xiàn)監測系統的整體架構分為三個(gè)模塊，即前臺控制器、通信網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器，整體架構如圖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(gè)主控制器與兩個(gè)從控制器組成，每個(gè)控制器可管理兩個(gè)罩臺加四個(gè)爐頭的標準組合，主從控制器之間采用 RS485雙絞線(xiàn)通信，主控制器、管道端與網(wǎng)關(guān)之間均采用無(wú)線(xiàn)通信。

??網(wǎng)關(guān)連接前端設備與云平臺，實(shí)現數據與信令的轉發(fā)，每個(gè)系統布設一個(gè)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與前端設備之間采用 Lora 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議通信，默認為兩個(gè)無(wú)線(xiàn)信道并行通信。廚房主控制器與管道端的無(wú)線(xiàn)信道與網(wǎng)關(guān)的任一無(wú)線(xiàn)信道一致才能通信。一般情況下，可先統計廚房端主控制器數量加一個(gè)管道端，然后平均分配到網(wǎng)關(guān)的兩個(gè)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(wú)線(xiàn)協(xié)議通信。

??服務(wù)器層作為數據存儲和處理的核心空間，可以實(shí)現不同餐飲企業(yè)任一時(shí)刻多組傳感器監測數據的交互。智能油煙在線(xiàn)監測系統運行在 Tomcat服務(wù)器上，采用的是Spring Boot設計模式的請求驅動(dòng)型的輕量級 Web 框架，為用戶(hù)提供其所需的實(shí)時(shí)系統運行情況，支持用戶(hù)以瀏覽器方式對油煙凈化系統智能化監測與控制。

3系統硬件設計

??無(wú)論廚房端控制器還是管道端控制器都是通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據交互，并上傳給服務(wù)器供后臺統計和管理。

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(mén)等設備如圖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(shí)，即判定為廚師已啟動(dòng)爐頭開(kāi)始烹飪，系統自動(dòng)打開(kāi)煙道閥門(mén)、啟動(dòng)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(huì )即時(shí)通知管道端啟動(dòng)相關(guān)設備。在整個(gè)烹飪過(guò)程中，廚房端控制器會(huì )連續地采集當前爐頭上方測量的溫度和環(huán)境溫度數據、煙道閥門(mén)啟閉狀態(tài)、煙罩風(fēng)機功率等參數并上傳到系統服務(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(huì )延時(shí)關(guān)閉煙罩風(fēng)機和煙道閥門(mén)，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(jìn)行相應調控。

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)機等設備如圖3所示。管道端控制器根據接收通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳來(lái)的廚房端爐頭點(diǎn)火信息和測量煙道內油煙濃度信息，啟動(dòng)變頻風(fēng)機、凈化器和除味器等相關(guān)設備，并按照預設置的參數模式智能自行調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備的運行信息直接上傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)轉發(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)

??網(wǎng)關(guān)作為智能油煙在線(xiàn)監測系統的數據交互中心，需要配置各信道間的無(wú)線(xiàn)參數、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)參數等。在網(wǎng)關(guān)參數配置中，需要在各信道參數配置下，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(huì )根據本配置提取參數信息數據轉發(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?。J）網(wǎng)絡(luò )地址。

??一般情況下，系統默認開(kāi)啟 DHCP 服務(wù)器，允許服務(wù)器向客戶(hù)端動(dòng)態(tài)分配 IP 地址，連接成功后會(huì )自動(dòng)讀取配置信息；若采用DHCP服務(wù)器未能成功分配地址，則需點(diǎn)擊“禁用"再手動(dòng)輸入相應本機IP地址，連接成功后亦自動(dòng)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(wú)需重新配置。其中包間隔為上傳數據間隔，因為該系統的運行環(huán)境對數據的交互并不是毫秒級的要求，所以啟用移動(dòng)數據通信時(shí)在此設置心跳間隔可以降低網(wǎng)絡(luò )流量的浪費，以此節約系統運營(yíng)成本。

4系統軟件設計

??在智能油煙在線(xiàn)監測系統中，軟件層面的設計至關(guān)重要，為了實(shí)現系統的智能化和精確化，需要建立一個(gè)足夠清晰的數據中心。由網(wǎng)關(guān)將設備的工作狀況信息持續傳到服務(wù)器的數據中心，系統一定時(shí)間間隔掃描數據庫中的數據表，分析計算后傳到系統前端供管理員查看。其中Web服務(wù)器采用的是MySQL 數據庫，主要表單如表1 所示。

表 1 系統數據庫的主要表單

??Web 服務(wù)器從數據庫服務(wù)器中提取已存儲的數據，按照系統的功能需求進(jìn)行提煉，將相應的數據進(jìn)行整合統計展現給系統平臺。整個(gè)平臺主要包括五大功能模塊，數據監控、地圖監控、數據統計、消息中心和系統管理。

??例如油煙在線(xiàn)監測系統就是對餐飲企業(yè)煙道出口處的油煙進(jìn)行濃度實(shí)時(shí)采樣，以得到油煙濃度的準確量化的數據，為了確保凈化后的油煙濃度能達到國家規定的排放標準，盡量減少油煙排放后對環(huán)境的污染。數據監控顯示在系統的首頁(yè)，用戶(hù)登錄成功后即可看到當前油煙設備的工作狀態(tài)，包括閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、凈化器開(kāi)關(guān)狀態(tài)及其功率、風(fēng)機開(kāi)關(guān)狀態(tài)及其功率、凈化前后的油煙濃度等所有監測終端設備工作狀態(tài)的信息。

??數據統計功能模塊主要是通過(guò)分析計算出油煙凈化系統在一定時(shí)間內的平均濃度、溫度、濕度和能耗等數據，能夠及時(shí)、較為完整地反映餐飲企業(yè)的油煙排放情況及趨勢，進(jìn)行前端整合繪制出各時(shí)間段內的餅狀圖和曲線(xiàn)圖讓用戶(hù)更直觀(guān)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，本系統在設計中應用到了百du地圖開(kāi)源的 JavaScript API應用程序接口。在標注的地點(diǎn)上能夠顯示該餐飲企業(yè)的位置詳情及實(shí)時(shí)參數等。隨著(zhù)餐飲企業(yè)的不斷注冊植入，該地圖監控功能日后對于在所有用戶(hù)里查找目標用戶(hù)的需求來(lái)講提供了便利性。

??消息中心功能模塊里主要分為兩個(gè)部分，實(shí)時(shí)報警和用戶(hù)反饋，一旦系統通過(guò)數據的實(shí)時(shí)監測發(fā)現異常時(shí)會(huì )發(fā)送報警信息給餐飲企業(yè)；當凈化設備異常時(shí)用戶(hù)可以通過(guò)消息中心發(fā)送反饋信息給系統管理員。

??而第五個(gè)功能模塊的權限只限于系統管理員，其擁有系統的使用權限。例如每當一個(gè)新餐飲企業(yè)入戶(hù)時(shí)，需要管理員進(jìn)行系統注冊，對安裝設備的種類(lèi)和數量進(jìn)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備的工作狀況等詳情。

??該智能油煙在線(xiàn)監測系統充分利用了第四代移動(dòng)通信技術(shù)的高速傳輸特性；結合了低功耗設計的設備和自動(dòng)化的調控技術(shù)使得餐飲企業(yè)油煙凈化系統的能效比顯著(zhù)提升；通過(guò)大數據分析給予餐飲企業(yè)故障預警，未故障、先預警。

5安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監測云平臺

??為了彌補現存餐飲行業(yè)在煙油監測上的漏洞，同時(shí)便利監管部門(mén)的監察，安科瑞油煙監測云平臺應運而生。油煙監測模塊通過(guò)2G/4G與云端平臺進(jìn)行通信和數據交互，系統能夠對企業(yè)餐飲設備的開(kāi)機狀態(tài)、運行狀態(tài)進(jìn)行監控；實(shí)現開(kāi)機率監測，凈化效率監測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數據進(jìn)行統計分析、排名等統計功能；較之傳統的靜電監測方案，更具安全性和實(shí)效性。平臺預留與其他應用系統、設備交互對接接口，具有很好的擴展性及融合性。

5.1平臺結構

??平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設備運行狀態(tài)和油煙排放的濃度數據，自動(dòng)對超標排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預警，監管部門(mén)可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設備，并定期清洗、維護，實(shí)現減排環(huán)保，不擾民等目的?，F場(chǎng)安裝監測終端，持續監測油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時(shí)結合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進(jìn)行對比分析，一旦排放超標，系統會(huì )發(fā)出異常信號。

■ 油煙監測設備用來(lái)監測油煙、顆粒物、NmHc等數據

■ 凈化器和風(fēng)機配合對油煙進(jìn)行凈化處理，同時(shí)對凈化設備的電流、電壓進(jìn)行監測

■ 設備通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將采集的數據上傳至遠程云端服務(wù)器

5.2 平臺主要功能

(一)在線(xiàn)監測

??對油煙排污數據的監測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數值采集監測;同時(shí)對監控風(fēng)機和凈化器的啟停狀態(tài)、運行數據進(jìn)行監測。

　　(二)告警數據監測

??系統根據采集的油煙數值大小，產(chǎn)生對應的排放超標告警;對凈化器的運行數據分析，上傳凈化設備對應的運行、停機、故障等告警事件。

　  (三)數據分析

??運行時(shí)長(cháng)分析，離線(xiàn)分析;告警占比、排名分析;歷史數據統計等。

　　(四)隱患管理

??系統對采集的告警數據分析，產(chǎn)生對應的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時(shí)處理告警，形成閉環(huán)

(五)統計分析

??包括時(shí)長(cháng)分析、超標分析、歷史數據、分析報告等模塊

(六)基礎數據維護

??個(gè)人信息、權限維護，企業(yè)信息錄入，對應測點(diǎn)信息錄入等

(七)數據服務(wù)

??數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

5.3油煙監測主機

??油煙監控主機是現場(chǎng)的管理設備，實(shí)時(shí)采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進(jìn)行數據處理，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊將數據傳輸到服務(wù)器平臺。同時(shí)，對本地數據進(jìn)行存儲，監控現場(chǎng)設備狀態(tài)，提供人機操作界面。

具體技術(shù)參數如下：

5.4 設備選型方案

??注：雙探頭適合雙排煙通道的場(chǎng)合，每路探頭監測1路排煙通道。

6結語(yǔ)

??油煙污染已經(jīng)成為了我國三大污染源之一，*及環(huán)保相關(guān)部門(mén)對油煙污染控制的制定標準不太完善，導致對餐飲業(yè)油煙污染的控制與執行存在大量灰色問(wèn)題。

??油煙監控系統的嵌入能實(shí)時(shí)顯示油煙凈化設備運行工況、出風(fēng)口污染物指數和設備維護提醒等智能化功能。它讓一切數據可視化，讓客戶(hù)實(shí)時(shí)掌握設備的動(dòng)態(tài)信息，讓環(huán)保相關(guān)部門(mén)規范監督管理有據。

??針對餐飲企業(yè)任一時(shí)間節點(diǎn)的油煙實(shí)時(shí)數據的統計與計算，智能油煙在線(xiàn)監測系統只是在原有油煙凈化設備的前提下進(jìn)行監測與分析，今后的研究重點(diǎn)會(huì )放在大數據處理方面，希望通過(guò)對大量餐飲企業(yè)的油煙排放各項指標參數進(jìn)行分析、算法運算得到油煙凈化設備效益的額定功率，提供設備設計廠(chǎng)商相符合市場(chǎng)的標準參數設定。

【參考文獻】

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[2]馮天成，盧設階，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能油煙在線(xiàn)監測系統的設計，武漢紡織大學(xué)數學(xué)與計算機學(xué)院，2019

[3]安科瑞AcrelCloud-3500餐飲油煙監測云平臺.2020.05版