基于物聯(lián)網(wǎng)的化工危險品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

曹保衛(wèi)

(榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的化工危險品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

曹保衛(wèi)

(榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000)

為了提高化工危險品存儲的安全性，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對化工危險品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，設(shè)計的系統(tǒng)包含化工危險品倉儲綜合信息采集系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，應(yīng)用各種傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并將RFID標(biāo)簽貼于化工危險品包裝上，實時獲得危險品位置信息，應(yīng)用NRF24L01模塊和MC9S12XS128單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。最后對系統(tǒng)的功能進行測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時傳輸，傳輸?shù)臏?zhǔn)確率較高，滿足系統(tǒng)需求。

物聯(lián)網(wǎng)；化工危險品；安全監(jiān)控

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國危險品的使用種類和數(shù)量越來越多，其特性越來越復(fù)雜，危險程度也越來越高。根據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)前我國經(jīng)常使用的危險品種類已經(jīng)達到2 000多種[1]，雖然當(dāng)前已經(jīng)有一些生產(chǎn)廠家設(shè)計了基于GPS和GIS的危險品車輛的監(jiān)控系統(tǒng)，但是現(xiàn)有的危險品監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足危險品的監(jiān)控需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為危險品的安全監(jiān)控提供了技術(shù)支撐，基于RFID和GPRS技術(shù)的危險品物流系統(tǒng)[2]也得到了廣泛的應(yīng)用。文章主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計危險品倉庫安全監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控倉庫內(nèi)的環(huán)境，一旦環(huán)境指數(shù)超出設(shè)定的閥值即發(fā)出警報，最大程度降低了危險品存儲過程中的事故發(fā)生率。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

“物聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)就是應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)將所有的物品采用射頻識別技術(shù)(RFID)和傳感技術(shù)聯(lián)系在一起，組成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理[3]，該網(wǎng)絡(luò)中包括各種傳感器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)及射頻識別裝置[4-5]。物聯(lián)網(wǎng)仍然以互聯(lián)網(wǎng)為核心，他是互聯(lián)網(wǎng)的擴展和延伸，為了能夠進行信息通信和交換，其用戶端擴展和延伸到了任何物品與物品之間。物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[6-7]。感知層主要是以物聯(lián)網(wǎng)的全面感知能力為核心，以GPS、RFID、EPC及各種傳感器等傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，對各種“物”進行識別，采集信息，其關(guān)鍵問題是提高感知能力的精確性和全面性，降低成本，解決小型化和低功耗的問題。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，通過各種通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及專用網(wǎng)、接入網(wǎng)等對數(shù)據(jù)進行精確計算和有效傳輸，優(yōu)化和改進物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特征，形成各種協(xié)同的感知網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層主要是提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，例如依靠手機、個人計算機等終端設(shè)備以及數(shù)據(jù)中心所構(gòu)成的專用或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了各種智能化的應(yīng)用。其特征示意圖見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的組成

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的化工危險品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

化工危險品的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括3部分，分別為化工危險品倉儲綜合信息采集系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，實現(xiàn)對危險品狀態(tài)的監(jiān)測與安全預(yù)警、位置跟蹤、存儲過程中信息記錄等功能，安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1危險品綜合信息采集系統(tǒng)

由于化工危險品具有易燃易爆等特點，因此，其倉儲條件要求十分嚴(yán)格，系統(tǒng)采集系統(tǒng)主要是對倉庫信息進行采集和集中處理，由各種傳感器和數(shù)據(jù)變換設(shè)備組成[8]。根據(jù)制定的危險品倉儲條件和規(guī)范要求對倉庫的信息環(huán)境進行采集，包括倉庫的氣體濃度、溫度、濕度、壓力、液位等信息，同時安裝攝像頭，將采集的信息實時發(fā)送至監(jiān)控中心，一旦發(fā)生監(jiān)控數(shù)據(jù)異常的情況或者檢測到一些危險元素，監(jiān)控中心能及時做出反應(yīng)，排除安全隱患，降低事故發(fā)生率，發(fā)生突然事故之后，系統(tǒng)也能及時通報監(jiān)控中心，及時做出救援反應(yīng)，確定發(fā)生問題的原因。

化工危險品安全監(jiān)測主要是通過傳感器完成，這些傳感器實時監(jiān)控倉庫危險品狀態(tài)，其原理見圖3。液位傳感器、壓力傳感器以及氣體傳感器等，這些傳感器采集到的氣體濃度值、液位高度值、壓力值等都是比較小的電壓信號或者電流信號，必須采用相應(yīng)的裝置對這些信息進行放大、濾波處理之后，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號之后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心顯示。而溫濕度傳感器不用經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就可以與單片機相連。由于化工危險品傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時間十分重要，因此，需要確保本地時間的準(zhǔn)確性，為了保證時間準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用本地時間和網(wǎng)絡(luò)校時2種模式保持采集時間的準(zhǔn)確性。

圖3危險品狀態(tài)監(jiān)測原理

2.2信息傳輸系統(tǒng)

1)無線傳輸模塊

為了傳輸上述采集到的信息，需要構(gòu)建信息傳輸系統(tǒng)，布置傳感器和無線模塊形成無線傳感節(jié)點，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。為了將無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接在一起，需要構(gòu)建無線傳感匯聚節(jié)點(SINK)，負(fù)責(zé)接收每個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息，然后將這些信息進行重組構(gòu)成包含狀態(tài)信息的完整的數(shù)據(jù)幀，傳送到上位機，并對各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集速度、發(fā)送速度及睡眠時間等進行控制，無線傳感結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線傳輸模塊采用NRF24L01，該模塊工作在2.4GHz全球開放ISM頻段。由于數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)臅r間較短，因此，無線傳輸中發(fā)生碰撞的概率較低。當(dāng)此模塊工作在應(yīng)答模式通信時，由于啟動時間很短，空中傳輸速度很快，可以顯著降低傳輸?shù)碾娏飨?。該模塊的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或利用單片機I/O口模擬SPI口進行連接。并且該模塊集成了鏈路層，提高了開發(fā)效率。此外，該模塊還可以實現(xiàn)自動檢測、自動重發(fā)功能，防止數(shù)據(jù)包丟失。

2)單片機MC9S12XS128

單片機選擇MC9S12X128單片機，由飛思卡爾公司生產(chǎn)[9]，該單片機的工作電壓低、穩(wěn)定性好，典型的S12總線頻率為25 MHz，最高可超頻至80 MHz，鎖相環(huán)(PLL)系統(tǒng)時鐘發(fā)生器利用較低的外部振蕩器頻率產(chǎn)生高速片內(nèi)總線時鐘，噪聲低，該單片機能夠?qū)崿F(xiàn)和NRF24L01無線傳輸模塊及各種傳感器的兼容，尤其是可以與I/O接口直接相連，無需進行電平轉(zhuǎn)換。單片機控制器結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 單片機控制器結(jié)構(gòu)

3)RFID標(biāo)簽信息讀取

在化工危險品儲存過程中需要讀取危險品的信息，傳統(tǒng)的危險品信息獲取采用人工登記和統(tǒng)計方式，十分繁瑣，并且容易出現(xiàn)錯漏等問題。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，可以采用RFID技術(shù)，在化工危險品入庫時粘貼RFID標(biāo)簽，并在RFID標(biāo)簽中寫入基本信息，對RFID標(biāo)簽進行掃描時，其位置信息等將傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機進行處理。讀取RFID數(shù)據(jù)時，為了提高檢測信號的強度，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏或者不能及時更新和傳送的情況，保證數(shù)據(jù)完整性，需要設(shè)計重發(fā)機制，將讀取的數(shù)據(jù)保存在本地存儲器中，經(jīng)過延時之后從本地存儲器中讀取數(shù)據(jù)進行發(fā)送，保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性。

圖6 RFID信息讀取

2.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)是整個化工危險品倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的核心，對采集的數(shù)據(jù)進行匯總、分析、通信傳輸、監(jiān)控與指揮等。通過接受倉庫終端發(fā)送回的信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)和攝像頭實時接受數(shù)據(jù)，分析各個危險品的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)控倉庫狀態(tài)。配置各種專用的應(yīng)用管理程序和服務(wù)器用以數(shù)據(jù)分析，制定指導(dǎo)解決方案。同時制定應(yīng)急預(yù)案，并和救援調(diào)度系統(tǒng)相互配合，一旦發(fā)生突發(fā)情況，及時救援。通過查詢事故發(fā)生前的倉庫危險品狀態(tài)的信息記錄，加上專業(yè)軟件技術(shù)人員的分析，能推導(dǎo)出事故的誘因或直接原因，使得在責(zé)任認(rèn)定時證據(jù)充分、更準(zhǔn)確更直接，也對后續(xù)運輸工作方案及操作流程提出警示和整改方案。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成之后，需要對系統(tǒng)的功能進行測試，包括數(shù)據(jù)采集測試、數(shù)據(jù)傳輸測試、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心功能測試。文章以數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性測試為例對系統(tǒng)的測試結(jié)果進行分析，啟動信息采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心平臺，將遠(yuǎn)程監(jiān)控中心平臺接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)和采集傳輸?shù)臓顟B(tài)數(shù)據(jù)進行對比分析，判斷無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，測試結(jié)果見表1。通過實際測試可知，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠比較準(zhǔn)確的接收到實時傳輸?shù)母鞣N狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿足化工危險品倉庫實時監(jiān)控的需要。

表1 無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

4 結(jié) 語

文章對化工危險品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，并對系統(tǒng)功能進行測試。該系統(tǒng)能夠?qū)}庫的環(huán)境及危險品信息進行實時監(jiān)控，并及時發(fā)現(xiàn)異常進行報警，還可以將接收到的數(shù)據(jù)保存在計算機數(shù)據(jù)庫中，實時查看和打印，系統(tǒng)的能耗較低，且數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率高。在監(jiān)控領(lǐng)域有較大的前景和市場。

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AResearchonRemoteMonitoringSystemofChemicalDangerousGoodsonInternet

CAO Baowei

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,YulinUniversity,Yulin,Shanxi719000,China)

In order to improve the safety of storage of dangerous chemicals in chemical industry, the article will design the remote monitoring system of chemical dangerous goods on Internet technology. The system includes integrated information collection system, information data transmission system and remote monitoring center system of chemical dangerous goods storage. It is applicated in various sensors to achieve data collection and RFID tags affixed to the packaging of dangerous chemicals. When we applicated NRF24L01 module and MC9S12XS128 in microcontroller, we can

ata transmission and controlling. Finally, the function of the system is tested. The test results show that the system can realize the real-time transmission of the collected data. The transmission accuracy is high to meet the system requirements.

Internet of things; Chemical dangerous goods; Safety monitoring

2017-08-21

曹保衛(wèi)(1975-)，男，陜西榆林人，博士，講師，研究方向：光催化技術(shù)、化工機械等，手機：13891229998，E-mail：ylcaobaowei@sina.com。

TP311

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.042