棉花倉庫安全監測系統設計與實現

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〔1.東營市纖維檢驗所，山東東營257000〕

〔2.鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450000〕

一、引言

棉花是我國重要的農產品和紡織工業原料，在全球棉花生產、消費與貿易中的地位非常重要。據中國棉花協會統計，我國2018/2019年度棉花產量近611萬t，消費量超過840萬t，分別占全球總量的23%與33%。中國是世界上第二產棉國和第一消費國，同時也是棉花儲備大國，2016年我國儲備棉儲存量高達1 200萬t。棉花的存儲安全關系到國計民生和國家的長期穩定發展。

棉花具有易燃、陰燃等一些燃燒特性，棉纖維在生長中會形成天然的轉曲，中空部分為中腔，其截面積約占棉纖維截面積的10%。研究結果表明，中腔內與棉纖維間存在的空隙能夠達到整個體積的70%，特別是在孔隙內空氣流通不暢的情況下，熱量傳導速度較慢，具有蓄熱保溫的作用。但是，棉纖維孔隙中存在的空氣在外界氧氣（O2）含量不高的情況下，能夠維持棉花局部或較小范圍內的緩慢燃燒，由于觀測不到火苗，也看不到煙霧，因此能夠持續燃燒很長時間，這種現象稱作陰燃。棉花的燃點為170 ℃，屬于極易燃燒物質，在裝卸、運輸過程中當摩擦、撞擊等外力所產生的熱量超過棉花燃點溫度，都有可能造成棉花陰燃。需要及時進行處理，否則一旦遇到空氣對流會加劇燃燒速度并產生大量的一氧化碳（CO），極易發生爆炸釀成火災事故，給國家造成重大的經濟損失和社會影響，為此建立棉花倉庫安全檢測系統具有非常重要的意義。

棉包陰燃主要產出的是可燃氣體CO和煙霧等，由于CO的生成速率隨著陰燃燃燒輻射強度的增加而加快，因此，監測棉花倉庫中CO的濃度對防治棉花倉庫火災的發生具有十分重要的意義。隨著通信技術、計算機技術以及物聯網技術的飛速發展，通過無線技術實時采集并監測棉花倉庫中CO濃度，并根據采集到的數據對棉花倉庫進行有效管理，可以預防棉花倉庫中棉包陰燃導致火災的發生。此外，采用該技術能夠大幅降低人員監測的勞動強度，減少用工成本，提高棉花倉庫安全存儲的保障和預警效率。

二、系統硬件

棉花倉庫安全監測系統硬件實現CO可燃氣體的實時在線監測，主要由TC100N-CO可燃氣體探測器、KB6000III可燃氣體監測報警器和C33-G無線數據傳輸模塊組成。根據棉花倉庫中棉垛的尺寸大小、CO可燃氣體探測器可監測范圍，KB6000III可燃氣體監測報警器可介入數量。合理部署CO探測器和報警器數量，CO探測器負責采集一氧化碳氣體濃度，并將信號發送到報警器，報警器將接收到的數據進行分析處理，通過無線傳輸模塊傳送到云服務器并存儲到數據庫（如圖1 所示）。

圖1 系統硬件結構圖

（一）TC100N-CO可燃氣體探測器

TC100N-CO可燃氣體探測器采用高精度氣敏元器件和微控制器技術，可將監測到的氣體濃度信息轉化為數字信號，采用總線結構將其對外傳輸，由監控儀表遠程察看探測結果。

TC100N-CO可燃氣體探測器輸出標準RS485數字信號，每臺TC100N-CO有唯一MAC地址。

（二）KB6000III可燃氣體監測報警控制器

KB6000III型可燃氣體監測報警控制器主機包括微處理器以及處理軟件，能夠實現探測器信號采樣、數據計算、故障診斷、電源管理、按鍵監測、報警顯示、外設驅動等功能。

KB6000III型可燃氣體監測報警控制器，用于檢測環境中待監測氣體的濃度，也可集成多個檢測不同氣體成分的探測器，同時完成對多點的集中控制。系統中采用的微處理器、高精度傳感器，監測靈敏度高、響應速度快。當環境空氣中待測氣體的濃度達到或者超過預先設置的報警值時，控制器會立即發出聲光報警，警示及時采取安全措施，同時啟動執行器驅動排風或其它外設設備，有效防止火災事故的發生，進而保障人民生命、財產安全。

KB6000III型可燃氣體監測報警控制器對接入TC100N-CO可燃氣體探測器采集的CO信息可進行離線存儲，保障了網絡通訊不良條件下的系統持續運行及數據安全。

（三）C33-G無線數據傳輸模塊

C33-G無線數據傳輸模塊內置工業級GPRS無線模塊，提供標準RS485數據接口，可與具有RS485總線上傳功能的KB6000III控制器以及TC100N-CO總線型探測器配合使用。

C33-G無線數據傳輸模塊，內部集成了撥號協議與TCP/IP協議棧，同時還具有嵌入式操作系統。從硬件角度上，它可看作是嵌入式工控機與無線GPRS MODEM的有效結合，同時具備撥號上網及TCP/IP數據通信的功能。

通過C33-G無線數據傳輸模塊將控制器獲取探測器采集信息發送至云端服務器。

三、軟件設計

（一）關鍵軟件模塊

棉花倉庫安全監測系統應用層軟件主要由APP端軟件模塊、PC上位機模塊和服務端軟件模塊構成。為保證系統模塊完整且穩定運行，需要對一些硬件設備提出功能要求。根據實際業務需求，An?droid手機須具備4.0以上的系統版本，同時配備2GB以上運行內存，還需要具備無線Wifi網絡功能。服務軟件端選用阿里云服務器，云端主機配置為2核CPU、4GB內存，系統盤選用云盤存儲。

（二）服務端設計

在J2EE平臺中，J2EE是由一組規范集構成，每一個規范明確了Java技術應當提供的功能類型。J2EE平臺為基于分布式應用模型上的Java應用程序的設計、開發、調試和部署提供了完整的框架，同時，J2EE規范也為開發應用和與企業系統集成定義了一系列的應用編程接口與應用編程模型。

Web Service是下一代互聯網技術，它允許在Web站點上放置多種可編程元素，能夠較為方便地進行基于Web的分布式計算和數據處理，本系統采用Web Service來提供相關數據服務和外部接口調用。

（三）數據庫設計

采用分布式MySQL作為數據持久技術。MySQL是全球最受歡迎的開源數據庫之一，作為開源軟件組合LAMP（Linux+Apache+MySQL+Perl/PHP/Py?thon）中的重要一環，廣泛應用于各類應用場景。主從結構設計，一主一備保障數據的高可靠性。

四、系統總體布局（如圖2所示）

圖2 系統總體布局

五、結語

本文研究的棉花倉庫安全監測系統實現了CO氣體濃度的實時采集，并通過無線發送模塊將數據存儲在云服務端，系統對數據進行基礎處理和實時分析，并將分析結果和氣體變化情況進行界面展現，手機端軟件實現了棉花倉庫信息的實時查詢和火災事故預警。該系統能夠有效滿足棉花倉庫長期氣體檢測的實際需求，具有較高的可靠性和系統穩定性。系統實現了棉花倉庫CO氣體的無線遠程集中式監控，不僅節省了勞動力，還降低了企業成本，數據監測實時性強、誤差小，為有效預防棉花倉庫中棉花陰燃引發火災事故提供了技術保障，在棉花存儲中具有廣闊的應用前景和實際意義。☆