基于物聯網的化工危險品遠程監控系統研究

曹保衛

(榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000)

基于物聯網的化工危險品遠程監控系統研究

曹保衛

(榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000)

為了提高化工危險品存儲的安全性，基于物聯網技術對化工危險品遠程監控系統進行設計，設計的系統包含化工危險品倉儲綜合信息采集系統、信息數據傳輸系統和遠程監控中心系統，應用各種傳感器實現數據的采集，并將RFID標簽貼于化工危險品包裝上，實時獲得危險品位置信息，應用NRF24L01模塊和MC9S12XS128單片機實現數據的傳輸和控制。最后對系統的功能進行測試，結果表明，該系統能夠實現采集數據的實時傳輸，傳輸的準確率較高，滿足系統需求。

物聯網；化工危險品；安全監控

近年來，隨著我國經濟的發展，我國危險品的使用種類和數量越來越多，其特性越來越復雜，危險程度也越來越高。根據相關資料顯示，當前我國經常使用的危險品種類已經達到2 000多種[1]，雖然當前已經有一些生產廠家設計了基于GPS和GIS的危險品車輛的監控系統，但是現有的危險品監控系統不能滿足危險品的監控需要。物聯網技術的發展和應用為危險品的安全監控提供了技術支撐，基于RFID和GPRS技術的危險品物流系統[2]也得到了廣泛的應用。文章主要基于物聯網技術設計危險品倉庫安全監控系統，實時監控倉庫內的環境，一旦環境指數超出設定的閥值即發出警報，最大程度降低了危險品存儲過程中的事故發生率。

1 物聯網技術簡介

“物聯網”系統就是應用互聯網將所有的物品采用射頻識別技術(RFID)和傳感技術聯系在一起，組成一個網絡，實現物品的智能化識別和管理[3]，該網絡中包括各種傳感器、激光掃描器、全球定位系統及射頻識別裝置[4-5]。物聯網仍然以互聯網為核心，他是互聯網的擴展和延伸，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。物聯網包括感知層、網絡層、應用層[6-7]。感知層主要是以物聯網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為基礎，對各種“物”進行識別，采集信息，其關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。網絡層是物聯網的基礎設施，通過各種通信網、互聯網及專用網、接入網等對數據進行精確計算和有效傳輸，優化和改進物聯網的應用特征，形成各種協同的感知網絡。應用層主要是提供豐富的基于物聯網的應用，例如依靠手機、個人計算機等終端設備以及數據中心所構成的專用或系統網絡，從而實現了各種智能化的應用。其特征示意圖見圖1。

圖1 物聯網的組成

2 基于物聯網的化工危險品遠程監控系統

化工危險品的遠程安全監控系統主要包括3部分，分別為化工危險品倉儲綜合信息采集系統、信息數據傳輸系統和遠程監控中心系統，實現對危險品狀態的監測與安全預警、位置跟蹤、存儲過程中信息記錄等功能，安全監控系統結構如圖2所示。

圖2 安全監控系統結構

2.1危險品綜合信息采集系統

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格，系統采集系統主要是對倉庫信息進行采集和集中處理，由各種傳感器和數據變換設備組成[8]。根據制定的危險品倉儲條件和規范要求對倉庫的信息環境進行采集，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送至監控中心，一旦發生監控數據異常的情況或者檢測到一些危險元素，監控中心能及時做出反應，排除安全隱患，降低事故發生率，發生突然事故之后，系統也能及時通報監控中心，及時做出救援反應，確定發生問題的原因。

化工危險品安全監測主要是通過傳感器完成，這些傳感器實時監控倉庫危險品狀態，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，必須采用相應的裝置對這些信息進行放大、濾波處理之后，將其轉化成數字信號之后傳輸到監控中心顯示。而溫濕度傳感器不用經過A/D轉換就可以與單片機相連。由于化工危險品傳感器監測數據采集時間十分重要，因此，需要確保本地時間的準確性，為了保證時間準確性，系統采用本地時間和網絡校時2種模式保持采集時間的準確性。

圖3危險品狀態監測原理

2.2信息傳輸系統

1)無線傳輸模塊

為了傳輸上述采集到的信息，需要構建信息傳輸系統，布置傳感器和無線模塊形成無線傳感節點，實現無線傳感網絡的組網。為了將無線傳感網絡連接在一起，需要構建無線傳感匯聚節點(SINK)，負責接收每個傳感器網絡節點的信息，然后將這些信息進行重組構成包含狀態信息的完整的數據幀，傳送到上位機，并對各個傳感器節點的數據采集速度、發送速度及睡眠時間等進行控制，無線傳感結構見圖4。

圖4 物聯網中無線傳感節點結構

無線傳輸模塊采用NRF24L01，該模塊工作在2.4GHz全球開放ISM頻段。由于數據在空中傳輸的時間較短，因此，無線傳輸中發生碰撞的概率較低。當此模塊工作在應答模式通信時，由于啟動時間很短，空中傳輸速度很快，可以顯著降低傳輸的電流消耗。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，提高了開發效率。此外，該模塊還可以實現自動檢測、自動重發功能，防止數據包丟失。

2)單片機MC9S12XS128

單片機選擇MC9S12X128單片機，由飛思卡爾公司生產[9]，該單片機的工作電壓低、穩定性好，典型的S12總線頻率為25 MHz，最高可超頻至80 MHz，鎖相環(PLL)系統時鐘發生器利用較低的外部振蕩器頻率產生高速片內總線時鐘，噪聲低，該單片機能夠實現和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，無需進行電平轉換。單片機控制器結構見圖5。

圖5 單片機控制器結構

3)RFID標簽信息讀取

在化工危險品儲存過程中需要讀取危險品的信息，傳統的危險品信息獲取采用人工登記和統計方式，十分繁瑣，并且容易出現錯漏等問題。采用物聯網技術之后，可以采用RFID技術，在化工危險品入庫時粘貼RFID標簽，并在RFID標簽中寫入基本信息，對RFID標簽進行掃描時，其位置信息等將傳輸到監控中心計算機進行處理。讀取RFID數據時，為了提高檢測信號的強度，防止出現數據缺漏或者不能及時更新和傳送的情況，保證數據完整性，需要設計重發機制，將讀取的數據保存在本地存儲器中，經過延時之后從本地存儲器中讀取數據進行發送，保證發送數據的完整性。

圖6 RFID信息讀取

2.3遠程監控中心系統

遠程監控中心系統是整個化工危險品倉庫監控系統的核心，對采集的數據進行匯總、分析、通信傳輸、監控與指揮等。通過接受倉庫終端發送回的信息，通過無線網絡和攝像頭實時接受數據，分析各個危險品的指標參數，監控倉庫狀態。配置各種專用的應用管理程序和服務器用以數據分析，制定指導解決方案。同時制定應急預案，并和救援調度系統相互配合，一旦發生突發情況，及時救援。通過查詢事故發生前的倉庫危險品狀態的信息記錄，加上專業軟件技術人員的分析，能推導出事故的誘因或直接原因，使得在責任認定時證據充分、更準確更直接，也對后續運輸工作方案及操作流程提出警示和整改方案。

3 系統測試

系統設計完成之后，需要對系統的功能進行測試，包括數據采集測試、數據傳輸測試、遠程監控中心功能測試。文章以數據傳輸穩定性測試為例對系統的測試結果進行分析，啟動信息采集系統和數據傳輸系統、遠程監控中心平臺，將遠程監控中心平臺接收到的狀態數據和采集傳輸的狀態數據進行對比分析，判斷無線通信網絡數據傳輸的穩定性，測試結果見表1。通過實際測試可知，遠程監控中心能夠比較準確的接收到實時傳輸的各種狀態數據，滿足化工危險品倉庫實時監控的需要。

表1 無線遠程數據傳輸測試結果

4 結 語

文章對化工危險品遠程監控系統進行設計，并對系統功能進行測試。該系統能夠對倉庫的環境及危險品信息進行實時監控，并及時發現異常進行報警，還可以將接收到的數據保存在計算機數據庫中，實時查看和打印，系統的能耗較低，且數據采集的準確率高。在監控領域有較大的前景和市場。

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[2] 陳媛, 張靜, 黃麗豐. 基于RFID和GPRS技術的危險品物流系統模型研究[J]. 包裝工程, 2008, 29(5): 78-80.

[3] 孫其博, 劉杰, 黎羴, 等. 物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]. 北京郵電大學學報, 2010, 33(3): 1-9.

[4] 劉海濤. 物聯網技術應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

[5] 朱洪波, 楊龍祥, 于全. 物聯網的技術思想與應用策略研究[J]. 通信學報, 2010, 31(11): 2-9.

[6] 李瑞江, 馬宏偉. 基于物聯網的安全傳輸模型建立的研究[J]. 電子設計工程, 2015(14): 42-44.

[7] 黃玉蘭. 物聯網體系結構的探究[J]. 物聯網技術, 2011(2): 58-62.

[8] 高連周. 基于物聯網技術的道路危險貨物運輸智能監控系統的研究[J]. 物流工程與管理, 2013, 35(3): 80-82.

[9] 王宇楠, 黃繼偉. 基于物聯網的倉庫監控系統設計[J]. 物聯網技術, 2016(06): 16-18.

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(1975-)，男，陜西榆林人，博士，講師，研究方向：光催化技術、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