基于物聯網的危險化工原料倉儲及運輸監控管理系統設計*

袁博文，柏均，劉朝陽，楊樹強

（1.電信科學技術第四研究所，陜西 西安 710061；2.西安科技大學，陜西 西安 710058）

1 引言

截至2013年底，全國化工企業近10萬家，生產7 700多種危險化學品。進入新世紀以來，我國經濟快速穩定發展，對化工產品的需求量也隨之猛增，這對于與之相關的危險品存儲及運輸行業來說有著巨大的市場機遇，同時也面臨著極其嚴峻的挑戰。

最近5年，據國家安監部門統計，我國發生各類危險化工原料、危險化學品事故近2 000起，傷亡三千多人，其中60%的事故發生在存儲和運輸環節。針對目前我國危險化學品倉儲管理和運輸存在的問題，國務院于2011年2月16日公布了修訂后的《危險化學品安全管理條例》，并于2011年12月1日正式施行，條例對危險化學品的生產、儲存、使用、經營和運輸的安全管理進行了詳細的規定和要求。傳統的倉儲管理以及運輸管理模式已經不能夠滿足現代化工企業的需求。

在這樣的背景下，提出了基于物聯網的危險化工原料倉儲及運輸監控管理系統。并創新地融入智能傳感器技術、智能安防技術、北斗導航定位技術、3G寬帶無線傳輸技術、GIS系統和Web數據庫。擴大了物聯網技術在危險化工原料倉儲運輸乃至整個智能物流領域的應用，改變了目前物聯網在危險化工原料倉儲運輸管理的運行模式，對物聯網產業的發展具有重要意義。

2 系統設計

危險化工原料倉儲及運輸監控管理系統由中心監控管理平臺、庫房智能安防系統和車輛北斗定位及3G寬帶傳輸系統組成，各系統通過有線或無線網絡與監控中心連接。系統采用高性能嵌入式處理器、RFID電子標簽、智能傳感器、北斗定位（兼容GPS）、3G無線接入（WCDMA）、智能圖像、GIS系統、數據庫等技術，建立起一整套監控調度平臺，完成整個出入物流鏈條的安全可靠實時監控和管理。系統總體結構原理框圖如圖1所示。

2.1 硬件設計

（1）庫房智能安防系統

智能安防系統原理框圖如圖2所示。

智能安防系統中的核心設備為嵌入式網關設計，完成倉庫智能安防的同時，通過多種智能傳感器將相關數據采集后，實時上傳管理中心平臺，監測各倉庫的各個環境狀態，防止因環境因素影響危險化工原料的保存。

（2）車輛北斗定位和3G/4G寬帶傳輸系統

圖1 系統總體結構原理框圖

圖2 智能安防系統原理框圖

為了實現北斗定位和3G寬帶傳輸系統的靈活性和可移植性，本方案采用功能模塊化設計，由嵌入式系統控制模塊、北斗微型接收發射模塊（兼容GPS）、3G/4G移動公網系統模塊、電源模塊、通用外部接口電路等部分組成。可根據具體需求定制RS-232、RS-422/485、IIC、SPI、USB、以太網口、MINI PCI-E等接口，滿足不同傳感器設備的互聯要求。通過增減相關集成化的軟硬件功能模塊，完成包括北斗定位、移動公網模式選擇、寬帶無線鏈路、按鍵和液晶顯示等功能。北斗定位和3G/4G寬帶傳輸系統原理框圖如圖3所示：

圖3 北斗定位和3G/4G寬帶傳輸系統原理框圖

2.2 軟件設計

（1）嵌入式軟件

嵌入式設備開發，采用嵌入式Linux2.6.19.2系統，具體內容包括以下各個部分：

1）Bootloader引導加載程序；

2）Linux系統移植：工具鏈移植、內核移植、應用程序移植；

3）芯片接口驅動程序：DSP程序開發調測等；

4）語音處理程序；

5）視頻編解碼處理程序：視頻編解碼協議開發；

6）10/100Base-T接口驅動：網絡連接、數據通信程序開發；

7）電源管理；

8）應用層程序。

（2）中心監控管理平臺軟件

中心監控管理平臺是安裝在各級調度中心的控制軟件系統，是實現對庫房和運輸車輛的貨物存儲和運輸狀態進行監控和管理的系統。

1）采用JAVA JDK8.0開發環境；

2）采用JAVA多線程處理技術，引入自適應線程池的管理調度機制，實現平臺對內存空間和處理器進程資源的最優化動態分配；

3）采用分布式云檢索技術和前端設備的多種定位方案，完成電子地圖的顯示、平臺實時接收前端設備的工作狀態以及相應的服務請求，為每個前端設備提供各自獨有的、可自定義的LBS（Location Based Services）。

通過綜合管理平臺通信接口協議，規定數據傳輸格式，整合前端多種傳感器數據，實現前端設備視頻、音頻及其他數據信息的實時上傳和快速存儲，采用主成分分析和數據擬合處理算法，按照不同需求，快速定制多種情況下的響應方案和預備方案。

3 系統運行

危險化工原料倉儲運輸監控管理系統的運行分3步有序閉環進行：

第一步：唯一標示階段，采用電子標簽技術對危險化工原料進行唯一標示，在倉庫的進貨口，危險品貨物外包裝或者托盤上加裝電子標簽，對于氣態或者液態儲罐可在罐體標簽（特殊易燃防爆需求可只對運輸車輛標簽），也可以將標簽嵌入證件內用于人員身份識別，將固定式RFID閱讀器安裝在倉庫出入口、倉庫內、運輸車上實現遠距離標簽掃描（用于出入庫、裝卸車管理），并更新庫存信息。發貨時，RFID閱讀器可自動更新庫存信息并實現對貨物的實時追蹤，確保對危險物品的安全存儲，借助運輸車輛上設置的固定式RFID閱讀器（或移動式RFID閱讀器），即可準確地了解貨物的位置與完備性。危險化工原料進庫唯一標示階段示意圖如圖4所示。

第二步：倉儲安防管理階段，在庫房外部、門禁、庫房內部以及其他重要部位設置安裝槍機或者球機，完成設防區域視頻監控及告警，可根據需要對監控區域視頻進行存儲以便查詢，通過智能視頻檢測技術中的周界檢測、區域檢測和動態監測等技術對異常情況迅速反應、拍照取證或報警，同時將報警信息傳回中心監控管理平臺。庫房智能管理安防系統示意圖如圖5所示。

第三步：閉環流通階段，確保危險物品的運輸安全。危險品在運途中，借助運輸車輛上設置的固定RFID閱讀器（或者手持式RFID閱讀器）、北斗衛星定位系統和3G寬帶無線傳輸系統，行駛的路線會在監控系統的電子地圖上實時顯示，即可準確地了解貨物的位置與完備性，對危險化工原料讀寫的狀態信息將實時上傳至實時信息管理系統，這樣對超速、超重、偏離路線的情況都可以告警，從而達到監控管理的目的。

圖4 危險化工原料進庫唯一標示階段示意圖

圖5 庫房智能管理安防系統示意圖

根據客戶要求可以在運輸車輛上加裝對危險化工原料的溫濕度、壓力、振動、傾斜角度、泄漏等進行測量監控的傳感器以及攝像頭，對運輸車輛駕駛室及運輸倉內進行動態或靜態的圖像回傳，在將要發生危險情況時，對駕駛室進行報警，或通過3G公網可將其信息傳至監控中心以便及時報警，預防事故的發生。

危險化工原料到達目的地時，解封電子鎖，監控中心的管理系統收到信息，確認安全收貨后，即完成此次運輸監控過程。閉環流通階段示意圖如圖6所示。

4 關鍵技術與創新

本項目承接基于物聯網的危險化工原料倉儲及運輸監控管理系統的研制與應用示范，面向企業用戶與物聯網發展需要，研發針對物聯網感知層、網絡層、應用層的多種終端和系統平臺產品。本項目涉及的核心技術和創新點體現在以下幾個方面：

（1）智能傳感器技術、智能安防技術、北斗導航定位技術、3G寬帶無線傳輸技術、GIS系統和WEB數據庫的有機融合，使物聯網技術應用的時空深度和廣度有了極大的延展，擴大了物聯網技術在危險化工原料倉儲運輸乃至整個智能物流領域的應用；

（2）推動了智能傳感器技術、智能安防技術、北斗導航定位技術、3G寬帶無線傳輸技術、GIS系統和WEB數據庫在物聯網領域的廣泛應用，推動了物聯網技術在更多領域的應用、創新與發展；

（3）各個子系統的研制和終端產品的研制將通過本項目的實施變簡單化，增強了產品開發的可靠性，推動上游系統集成廠商與相關產業的快速發展。

5 結束語

本文提出的新型的危險化工原料倉儲及運輸監控管理系統采用RFID電子標簽、智能傳感器、北斗衛星定位（兼容GPS）、3G/4G寬帶無線接入、智能圖像檢測、GIS系統、WEB數據庫等技術，建立起一整套監控調度平臺，完成危險化工原料從入存儲倉庫到使用廠家的整個物流鏈條的安全可靠的實時監控和管理，實現了危險化工原料信息全程追溯，運輸車輛全程監控，運輸、倉儲系統信息統一整合，系統自動實時報警等功能。在此基礎上，提出了安裝溫度、濕度、壓力、震動、氣體分析等傳感器的擴展應用來保障危險化學品的安全運輸。

圖6 閉環流通階段示意圖

[1]Roy Rubenstein. Radio Gets Smart[J]. IEEE SPECTRUM, 2007: 46-50.

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[5]Hynix Semiconductor Inc.HY27UF(08/16)2G2B Series 2Gbit (256Mx8bit)NAND Flash datasheet[EB/O L]. [2 0 1 4-0 8-0 5].http://wenku.baidu.com/view/7243458be53a58021 6fcfe6c.html.