MEMS传感器在物联网中的应用案例

在火电、煤化工、冶金、港口仓储等需要大量储煤的行业,煤炭会在储煤筒仓、圆形煤场等设施中长期存放。煤的氧化反应过程中会产生大量的热,并且挥发出多种可燃性气体。若热量无法散去则会导致煤炭发生自燃现象,而可燃气体在封闭煤场中积聚有可能引发爆炸事故。通过封闭煤场煤炭自燃监控系统的研发,依托于煤场物联网平台,将各类MEMS智能传感器应用于物联网的感知层,可使传感器更加智能地、方便地监控储煤场,保证电厂等安全绿色地进行生产。

在各类储煤场的监控系统中,使用的传感器主要有温度传感器、可燃气体传感器、明火传感器、烟雾传感器、氧气传感器等。这些新型的MEMS智能传感器有着传统传感器无可比拟的优势。

煤场物联网拓扑结构如图6.23所示,按照物联网的架构分为应用层、网络层和感知层。最上面的应用层包括了远程监控终端、手持监控设备、远程监控网页、集中监控屏幕墙,它们为用户提供多种数据监测和设备控制的服务。中间的网络层通过Internet(互联网)将所有局点和物联网服务器集群连接成一个整体,服务器集群中包括了应用程序服务器、数据库服务器和Web服务器。应用程序服务器负责接收各类远程终端的TCP连接,将上行的传感器数据保存到数据库,将下行的控制命令发送到远程执行终端中;数据库服务器负责保存传感器的历史数据和当前传感器值,也作为应用程序服务器与Web服务器交换数据的中转站;Web服务器提供远程监控网页的接入服务,它可从数据库中读取需要的数据,并发送到远程网页监控系统中。最下面的感知层由智能网关和各类MEMS智能传感器组成,各类MEMS智能传感器安装于储煤筒仓和圆形煤场等设施中。智能网关通过现场的以太网将数据传输到局点现场的监控主机,并通过3G 网络连接到Internet,将数据发送到公司的物联网服务器中。

图6.23　煤场物联网拓扑结构(www.xing528.com)

这些MEMS智能传感器按照一定的安装方案,分布于储煤设施的多个地方,它们有着以下几大功能。

①采集并传送数据。传感器的基本功能就是采集数据,采集到的各类物理量由变送器转换成4～20 mA或0～5 V 的标准输出,再由MEMS智能传感器的AD 模块转换成数字信号,最后通过485 总线或无线接口发送至数据采集网关处。

②监视传感器自身的健康状况。将MEMS智能传感器应用于各类储煤设施中时,环境特点是温度高、湿度高、粉尘浓度高等,传感器和电路等在这种环境下工作时非常容易出现异常情况。所以,MEMS智能传感器在采集数据的同时要时刻监视自身的工作状况,当出现某些工作不正常状况时,应及时将信息发送到物联网系统中。集中监控屏幕墙可以随时查看到现场每个设备的工作状况,一旦某个传感器出现问题,在用户还没有察觉时,公司就已经安排维护人员前往维修。

③融合数据。现场的各传感器都是实时采集数据的,但这些数据并不需要全部实时地发送到监控主机和物联网系统中。当采集到的值超过MEMS智能传感器本身设置的阈值时,数据会立即发送,否则只发送整分钟或1 min内的平均值到上位机中。这种融合数据的方法不仅保证了数据的实时采集,还可以大大减少整个网络中的数据通信量。

④进行自动校准。传感器在不同的环境温度下工作时,或工作时间较长时,采集到的值往往会产生一定的偏差,此时就需要MEMS智能传感器根据传感元件提供的漂移参数对采集到的值进行校准。