基于物聯網技術的餐飲業油煙在線監測系統的研究

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：本文利用物聯網技術，構建了一套餐飲企業智能油煙在線監測系統，該系統前臺由廚房端和管道端組成，通過網關接入云平臺管理系統，實時監控煙道閥門的啟閉、變頻風機的啟停與風速及功率調節、油煙濃度數據等。結合動態參數的持續變化和云平臺大數據的對比分析，提高餐飲企業的油煙凈化綜合監控能力，以便實現 部門對餐飲企業的油煙數化管制。

關鍵詞:在線監測；油煙凈化；物聯網；數字化

1引言

  餐飲業作為我國第三產業中一個重要的傳統服務性行業，因其市場大、增長快、影響廣、吸納就業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，由于餐飲企業眾多且分散，只能簡單地監測油煙凈化系統各設備的開關狀態，一般只要煙道閥門和風機設備處于開啟狀態，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是通過監測油煙凈化設備的運行功率等參數的變化進行判別；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的成熟和廣泛應用，各種物聯網技術集成應用在油煙監測系統中，將有益于提高企業對油煙凈化綜合監控能力、給予 及環保部門數字化指標，推動人與自然和諧發展。

2系統體系架構

圖 1 系統整體架構

  該智能油煙在線監測系統的整體架構分為三個模塊，即前臺控制器、通信網關和服務器，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、管道端與網關之間均采用無線通信。

  網關連接前端設備與云平臺，實現數據與信令的轉發，每個系統布設一個網關。網關與前端設備之間采用 Lora 無線通信協議通信，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關的任一無線信道一致才能通信。一般情況下，可先統計廚房端主控制器數量加一個管道端，然后平均分配到網關的兩個信道上。為了避免單一信道交互堵塞，網關與云平臺之間采用4G無線協議通信。

  服務器層作為數據存儲和處理的核心空間，可以實現不同餐飲企業任一時刻多組傳感器監測數據的交互。智能油煙在線監測系統運行在 Tomcat服務器上，采用的是Spring Boot設計模式的請求驅動型的輕量級 Web 框架，為用戶提供其所需的實時系統運行情況，支持用戶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

  無論廚房端控制器還是管道端控制器都是通過網關進行數據交互，并上傳給服務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，系統自動打開煙道閥門、啟動煙罩風機，并上傳爐頭運作信息到網關層，隨后網關會即時通知管道端啟動相關設備。在整個烹飪過程中，廚房端控制器會連續地采集當前爐頭上方測量的溫度和環境溫度數據、煙道閥門啟閉狀態、煙罩風機功率等參數并上傳到系統服務器。當爐頭上方溫度探頭測量到溫度與當前環境溫度大致相同后，會延時關閉煙罩風機和煙道閥門，并上傳廚房端爐頭關閉信息到網關，隨后網關通知管道端并進行相應調控。

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、風機等設備如圖3所示。管道端控制器根據接收通過網關傳來的廚房端爐頭點火信息和測量煙道內油煙濃度信息，啟動變頻風機、凈化器和除味器等相關設備，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關，網關轉發到廚房端顯示其廚房端運行狀態。

圖 3 管道端電箱控制圖

3.3 無線網關

  網關作為智能油煙在線監測系統的數據交互中心，需要配置各信道間的無線參數、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器相關參數等。在網關參數配置中，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，網關會根據本配置提取參數信息數據轉發給服務器。本機及服務器的網絡配置，主要是配置本機的缺省（默認）網絡地址。

  一般情況下，系統默認開啟 DHCP 服務器，允許服務器向客戶端動態分配 IP 地址，連接成功后會自動讀取配置信息；若采用DHCP服務器未能成功分配地址，則需點擊“禁用”再手動輸入相應本機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器的IP和通信端口，一般情況服務器不變更無需重新配置。其中包間隔為上傳數據間隔，因為該系統的運行環境對數據的交互并不是毫秒級的要求，所以啟用移動數據通信時在此設置心跳間隔可以降低網絡流量的浪費，以此節約系統運營成本。

4系統軟件設計

  在智能油煙在線監測系統中，軟件層面的設計至關重要，為了實現系統的智能化和精確化，需要建立一個足夠清晰的數據中心。由網關將設備的工作狀況信息持續傳到服務器的數據中心，系統一定時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 服務器從數據庫服務器中提取已存儲的數據，按照系統的功能需求進行提煉，將相應的數據進行整合統計展現給系統平臺。整個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。

  例如油煙在線監測系統就是對餐飲企業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境的污染。數據監控顯示在系統的首頁，用戶登錄成功后即可看到當前油煙設備的工作狀態，包括閥門開關狀態、凈化器開關狀態及其功率、風機開關狀態及其功率、凈化前后的油煙濃度等所有監測終端設備工作狀態的信息。

  數據統計功能模塊主要是通過分析計算出油煙凈化系統在一定時間內的平均濃度、溫度、濕度和能耗等數據，能夠及時、較為完整地反映餐飲企業的油煙排放情況及趨勢，進行前端整合繪制出各時間段內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。

  針對餐飲企業分布零散但廣泛的情況，本系統在設計中應用到了地圖開源的 JavaScript API應用程序接口。在標注的地點上能夠顯示該餐飲企業的位置詳情及實時參數等。隨著餐飲企業的不斷注冊植入，該地圖監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，一旦系統通過數據的實時監測發現異常時會發送報警信息給餐飲企業；當凈化設備異常時用戶可以通過消息中心發送反饋信息給系統管理員。

  而第五個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。例如每當一個新餐飲企業入戶時，需要管理員進行系統注冊，對安裝設備的種類和數量進行登記，然后分配賬號給餐飲企業，企業就可以查看瀏覽油煙凈化設備的工作狀況等詳情。

  該智能油煙在線監測系統充分利用了第四代移動通信技術的高速傳輸特性；結合了低功耗設計的設備和自動化的調控技術使得餐飲企業油煙凈化系統的能效比顯著提升；通過大數據分析給予餐飲企業故障預警，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在煙油監測上的漏洞，同時便利監管部門的監察，安科瑞油煙監測云平臺應運而生。油煙監測模塊通過2G/4G與云端平臺進行通信和數據交互，系統能夠對企業餐飲設備的開機狀態、運行狀態進行監控；實現開機率監測，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和油煙排放的濃度數據，自動對超標排放及異常企業進行提示預警，監管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業整改設備，并定期清洗、維護，實現減排環保，不擾民等目的。現場安裝監測終端，持續監測油煙凈化器的工作狀態，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結合排煙口的揮發性物質、顆粒物濃度等進行對比分析，一旦排放超標，系統會發出異常信號。

■ 油煙監測設備用來監測油煙、顆粒物、NmHc等數據

■ 凈化器和風機配合對油煙進行凈化處理，同時對凈化設備的電流、電壓進行監測 

■ 設備通過4G網絡將采集的數據上傳至遠程云端服務器

5.2 平臺主要功能

(一)在線監測

  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;同時對監控風機和凈化器的啟停狀態、運行數據進行監測。

　　(二)告警數據監測

  系統根據采集的油煙數值大小，產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

  運行時長分析，離線分析;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，產生對應的隱患記錄，派發、處理隱患，及時處理告警，形成閉環

(五)統計分析

  包括時長分析、超標分析、歷史數據、分析報告等模塊

(六)基礎數據維護

  個人信息、權限維護，企業信息錄入，對應測點信息錄入等

(七)數據服務

  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的管理設備，實時采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進行數據處理，通過有線或無線網絡通訊將數據傳輸到服務器平臺。同時，對本地數據進行存儲，監控現場設備狀態，提供人機操作界面。

具體技術參數如下：

5.4 設備選型方案

  注：雙探頭適合雙排煙通道的場合，每路探頭監測1路排煙通道。

6結語

  油煙污染已經成為了我國三大污染源之一， 及環保相關部門對油煙污染控制的制定標準不太完善，導致對餐飲業油煙污染的控制與執行存在大量灰色問題。

  油煙監控系統的嵌入能實時顯示油煙凈化設備運行工況、出風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，讓客戶實時掌握設備的動態信息，讓環保相關部門規范監督管理有據。

  針對餐飲企業任一時間節點的油煙實時數據的統計與計算，智能油煙在線監測系統只是在原有油煙凈化設備的前提下進行監測與分析，今后的研究會放在大數據處理方面，希望通過對大量餐飲企業的油煙排放各項指標參數進行分析、算法運算得到油煙凈化設備效益的額定功率，提供設備設計廠商相符合市場的標準參數設定。

【參考文獻】

[1]朱賢軍.基于物聯網技術的餐飲業油煙實時監測移動平臺，安徽理工大學，2013

[2]馮天成，盧設階，基于物聯網技術的智能油煙在線監測系統的設計，武漢紡織大學數學與計算機學院，2019

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