基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的餐飲業(yè)油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一套餐飲企業(yè)智能油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)前臺由廚房端和管道端組成，通過網(wǎng)關(guān)接入云平臺管理系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控?zé)煹篱y門的啟閉、變頻風(fēng)機(jī)的啟停與風(fēng)速及功率調(diào)節(jié)、油煙濃度數(shù)據(jù)等。結(jié)合動態(tài)參數(shù)的持續(xù)變化和云平臺大數(shù)據(jù)的對比分析，提高餐飲企業(yè)的油煙凈化綜合監(jiān)控能力，以便實(shí)現(xiàn) 部門對餐飲企業(yè)的油煙數(shù)化管制。

關(guān)鍵詞:在線監(jiān)測；油煙凈化；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化

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(qiáng)的特點(diǎn)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(jī)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(dá)標(biāo)；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(yùn)行功率等參數(shù)的變化進(jìn)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 及環(huán)保部門數(shù)字化指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(rèn)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(shí)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(yùn)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(shí)時系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)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(dāng)爐頭上方溫度探頭測量到當(dāng)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(jī)，并上傳爐頭運(yùn)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(dāng)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(jī)功率等參數(shù)并上傳到系統(tǒng)服務(wù)器。當(dāng)爐頭上方溫度探頭測量到溫度與當(dāng)前環(huán)境溫度大致相同后，會延時關(guān)閉煙罩風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jī)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(diǎn)火信息和測量煙道內(nèi)油煙濃度信息，啟動變頻風(fēng)機(jī)、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(jī)功率。管道端控制器連接的傳感器等設(shè)備的運(yùn)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(yùn)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(jī)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?yàn)楣艿蓝讼忍钊牍艿蓝说刂吩偬钊肱c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(jī)及服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置，主要是配置本機(jī)的缺?。J(rèn)）網(wǎng)絡(luò)地址。

  一般情況下，系統(tǒng)默認(rèn)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，連接成功后會自動讀取配置信息；若采用DHCP服務(wù)器未能成功分配地址，則需點(diǎn)擊“禁用”再手動輸入相應(yīng)本機(jī)IP地址，連接成功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?yàn)樵撓到y(tǒng)的運(yùn)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(fèi)，以此節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和精確化，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(jìn)行提煉，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行濃度實(shí)時采樣，以得到油煙濃度的準(zhǔn)確量化的數(shù)據(jù)，為了確保凈化后的油煙濃度能達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，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，用戶登錄成功后即可看到當(dāng)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(jī)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(jìn)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)用到了地圖開源的 JavaScript API應(yīng)用程序接口。在標(biāo)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(biāo)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(shí)時報警和用戶反饋，一旦系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的實(shí)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(dāng)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(dāng)一個新餐飲企業(yè)入戶時，需要管理員進(jìn)行系統(tǒng)注冊，對安裝設(shè)備的種類和數(shù)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(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。

5安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監(jiān)測云平臺

  為了彌補(bǔ)現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測上的漏洞，同時便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測云平臺應(yīng)運(yùn)而生。油煙監(jiān)測模塊通過2G/4G與云端平臺進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設(shè)備的開機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)開機(jī)率監(jiān)測，凈化效率監(jiān)測，設(shè)施停運(yùn)告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、排名等統(tǒng)計功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測方案，更具安全性和實(shí)效性。平臺預(yù)留與其他應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備交互對接接口，具有很好的擴(kuò)展性及融合性。

5.1平臺結(jié)構(gòu)

  平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動對超標(biāo)排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預(yù)警，監(jiān)管部門可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設(shè)備，并定期清洗、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的?，F(xiàn)場安裝監(jiān)測終端，持續(xù)監(jiān)測油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設(shè)備運(yùn)行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結(jié)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(biāo)，系統(tǒng)會發(fā)出異常信號。

■ 油煙監(jiān)測設(shè)備用來監(jiān)測油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)

■ 凈化器和風(fēng)機(jī)配合對油煙進(jìn)行凈化處理，同時對凈化設(shè)備的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測 

■ 設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程云端服務(wù)器

5.2 平臺主要功能

(一)在線監(jiān)測

  對油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測;同時對監(jiān)控風(fēng)機(jī)和凈化器的啟停狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

　　(二)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測

  系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對應(yīng)的排放超標(biāo)告警;對凈化器的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設(shè)備對應(yīng)的運(yùn)行、停機(jī)、故障等告警事件。

　  (三)數(shù)據(jù)分析

  運(yùn)行時長分析，離線分析;告警占比、排名分析;歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

　　(四)隱患管理

  系統(tǒng)對采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對應(yīng)的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時處理告警，形成閉環(huán)

(五)統(tǒng)計分析

  包括時長分析、超標(biāo)分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報告等模塊

(六)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)

  個人信息、權(quán)限維護(hù)，企業(yè)信息錄入，對應(yīng)測點(diǎn)信息錄入等

(七)數(shù)據(jù)服務(wù)

  數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

5.3油煙監(jiān)測主機(jī)

  油煙監(jiān)控主機(jī)是現(xiàn)場的管理設(shè)備，實(shí)時采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器平臺。同時，對本地數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，提供人機(jī)操作界面。

具體技術(shù)參數(shù)如下：

5.4 設(shè)備選型方案

  注：雙探頭適合雙排煙通道的場合，每路探頭監(jiān)測1路排煙通道。

6結(jié)語

  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)部門對油煙污染控制的制定標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時顯示油煙凈化設(shè)備運(yùn)行工況、出風(fēng)口污染物指數(shù)和設(shè)備維護(hù)提醒等智能化功能。它讓一切數(shù)據(jù)可視化，讓客戶實(shí)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(diǎn)的油煙實(shí)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(jìn)行監(jiān)測與分析，今后的研究會放在大數(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(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析、算法運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定。

【參考文獻(xiàn)】

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