煙葉醇化倉庫PH3濃度復合監測儀的應用

楊 韜，駱 杰，楊 勇，楊永生，刀榮貴，黃 華

（1.紅塔煙草（集團）有限責任公司，云南昆明；2.昆明美光科技有限公司，云南昆明）

0 引言

2008 年3 月24 日，國家煙草專賣局下發了《煙草行業熏蒸作業安全管理暫行規定》（國煙辦綜[2008]113 號），文件規定"實施熏蒸作業單位應對熏蒸過程的氣體濃度、溫度、濕度等情況進行即時技術監測，如有異常現象要及時調整技術參數并保留過程相關數據。該文件的出臺，對磷化氫熏蒸濃度監測手段及技術提出了更高的要求。目前磷化氫濃度檢測主要靠抽氣檢測，而溫濕度也是靠人工記錄，對與倉庫內磷化氫氣體和溫濕度的分布情況以及PH3氣體釋放過程并不了解，不利于實時、精準掌握倉庫的環境情況。

YC/T 342—2010《煙葉熏蒸殺蟲磷化氫濃度的測定無線傳感法》標準受限于當時的技術發展，所采用的Zigbee 和Wifi 結合的網絡傳輸方式存在數據傳輸不穩定，難以大面積部署等不足。最近發展的NB-IOT 技術，其有效覆蓋范圍為1000 多平方米，信道增益高，穿透性強，完全適合大型煙葉倉庫的環境監控應用。本文利用磷化氫傳感器實時監測倉庫PH3濃度信息以及溫濕度信息，利用NB-IOT 技術將采集數據傳輸到后臺進行處理。加強型氣密性設計以及嚴密的前后臺通信協議，保證了系統的穩定性與可靠性。

1 系統設計

該系統采用了NB-IOT 技術，解決了長距離傳輸問題；采用雙向認證方法大大緩解了數傳丟包率難題；采用嚴格的氣密性設計，避免了PH3對電路板的腐蝕破壞，從而從多方面保證了設備的穩定性。

圖1 煙葉倉庫環境監控系統框圖

系統由掛壁式復合監測設備（PH3和溫濕度監測器）、NB IoT 平臺（運營商提供）、服務器和PC 終端機軟件等組成，其拓樸圖如圖1 所示。該系統通信距離1000 多米，適合大范圍部署。

由NB-IOT 的通信協議決定，該監測儀在高速運動、復雜環境等情況下會出現數據丟包現象，設計了雙向認證數據協議，首先通過節點向后臺申請狀態，當節點接收到后臺狀態信息并確認整個網絡通暢后發送環境參數數據；第二當后臺成功接收到環境參數信息后，會發送確認信息至前臺節點，只有在節點確認后，系統才認為此次數據傳輸成功。若網絡出現異常，則監測儀自動存儲數據，下一個時間節點網絡正常后再發送，程序流程如圖2 所示。

設備殼體進行了嚴密的氣密性設計，接口縫隙、螺絲孔以及傳感器管教孔均采用了打膠密封處理，有效避免了PH3氣體進入殼體內部對電路板焊點、電池等進行腐蝕破壞作用，從而保證了設備長時間在大濃度PH3氣體中的穩定工作。設備外殼如圖3 所示。

圖2 系統工作流程簡圖

圖3 設備外殼設計效果圖

2 數據驗證

構建1 m3的密封玻璃箱體進行PH3濃度測試實驗，將設備放置于箱體內，從后臺實施采集數據并進行分析。采用20×10-3大量程傳感器進行測試，測量頻率8 次/s，輸出電壓如圖4 所示。通過與標準測試儀器測試比對發現，PH3濃度測量值約為1.5×10-5與標準設備測量值非常接近。氣體濃度大約有±0.002 V 抖動，對應濃度誤差4×10-6，從而驗證了設備測量精確性。測試過程中，箱體內仍然存在微量的漏氣現象，濃度逐步下降。整個曲線并非均勻光滑，主要是因為受到環境擾動影響。圖4。

由于NB-IOT 采用了雙向認證算法并采取本地保存數據策略，在測試1606 次的數據傳輸過程中，發生了53 次數據并發現象，即在沒有雙向認證的情況下會有3.34%的丟包率，而雙向認證后沒有發生一次丟包現象。說明了NB-IOT 網絡的確實存在不穩定性，同時也說明了本文所提出的雙向認證方法的有效性。

（1）在相同環境下，將10-5量程的高精度傳感器從箱外無濃度環境下放入箱內，放入后堵住操作孔，保證密封性。后臺系統記錄了整個測試儀從外部放入氣體內的濃度測試數據變化情況，曲線從1.241 V上升至1.333 V，對應濃度從0 變化至10-5，誤差在10-6以內。相對于20×10-3量程傳感器所測得的1.5×10-5，濃度有所下降，主要是因為2 個傳感器之間有所差異以及在傳感器置換過程中氣體有所泄露導致。圖5。

圖4 2000 ppm 傳感器輸出電壓

圖5 放入箱體過程10 ppm 傳感器輸出電壓

（2）在煙葉倉庫進行現場熏蒸實驗，倉庫面積約1000 m2，高度5.4 m，墻面掛置4 個復合監測儀（編號15，14，18，17），在煙垛內放置一個監測儀(編號54)，從而對整個倉庫進行全程、立體的熏蒸作業監測。整個熏蒸從2018 年8月9 日下午開始，8月19 日下午結束。圖6。

圖6 設備懸掛設置

從圖7 可以看出，整個熏蒸過程數據真實有效，沒有發生丟包現象，設備沒有損傷。PH3氣體濃度上升階段、保持階段以及散氣階段明顯，與抽氣式測量儀進行比對，誤差＜10-4，精度在合理的范圍內。如圖8 所示，散氣過程中，高精度傳感器工作正常，數據真實，大量程與高精度之間的切換真實有效，從而可以保證作業人員的安全。溫度變化情況見圖9 和圖10。

（1）整個熏蒸過程中，溫度基本保持平穩，略有波動，主要由晝夜溫差導致。散氣階段，倉庫大門打開，溫度波動較大。

（2）整個熏蒸過程中，濕度基本保持平穩，散氣階段，倉庫大門打開，濕度波動較大。

（3）整個熏蒸過程中，電路板沒有發生腐蝕現象，數據通信正常，沒有發生丟包現象，再次驗證了設備的穩定性。

圖7 PH3 氣體濃度整體變化曲線

圖8 散氣過程濃度變化測量曲線

圖9 溫度變化測量曲線

3 結論

設計了煙葉環境監控復合監測儀，利用NB-IOT 技術、雙向認證NB-IOT 方法以及加強型氣密性設計，保證了系統穩定性。為大型煙草倉庫、糧食倉庫、酒水倉庫以及食品倉庫的環境監控提供了一個切實有效的方法。

圖10 濕度變化測量曲線