实验室危化品仓储环境远程监测系统的设计

随着高等教育事业的快速发展和科技创新能力的不断提升，实验室危险化学品(简称“危化品”)无论在种类上还是数量上已越来越多地被存储和使用[1]。由于危化品在仓储过程中容易受到摩擦、震动、挤压、混触、泄漏、温湿度变化等因素影响，极易造成毒害、火灾、爆炸等事故隐患，近年来多所高校频发危化品仓库安全事故，造成重大生命和财产损失[2]。危化品仓储是实验室安全管理中的重要环节，传统的安全管理大都采用人工巡查和值班方式，费时、费力、效率低下等，为改变这种现状和防止事故发生，各高校纷纷建章立制、落实责任、定期与不定期开展检查，取得了一定的效果，但还不能从根本上解决危化品仓储实时监管的问题。

危化品仓储安全管理取决于事故决策和合理的事故预防方式。在这方面，国内学者从不同侧面进行了研究，钱其沛等[3]运用物联网及小车巡检技术，设计了危化品仓库远程监控及巡检系统，可以记录危化品仓库信息和对仓库环境的气体以及温湿度进行远程监测；倪凯等[4]针对仓储企业管理手段落后，安全风险较高的问题，提出基于物联网的危化品仓储信息监测与预警系统，实现企业危化品仓库监控数据采集和风险预警；王丽俐等[5]以温湿度、光强、烟雾、可燃性气体环境特征参数为对象，设计了基于NB-IoT的危化品仓库环境监测系统，解决物流企业危化品存储环境监测存在的弊端。虽然学者们运用了不同的技术进行了探究，但大都是应对企业危化品仓库管理效率低下的现状，缺乏建立符合高校危化品种类多、存储分散、使用频繁等特点的远程监测系统。本文研发一款集温度、湿度、CO、CH4气体浓度的远程监测系统，系统模块化设计，现场检测，4G远程通信，基于互联网交互，使用户通过手机或PC就能全面掌控全校多校区危化品仓储环境的实时现状。实测结果表明，该系统运行可靠，造价低廉，具有很好的推广价值。

危化品仓储环境远程监测系统是根据物联网体系架构进行设计的， 整体框架包括感知层、传输层和应用层3层，如图1所示。该系统具有实时数据采集、数据远程传输、历史数据管理及反馈控制等功能[6,7,8]。

1)感知层是系统的基础层，由检测器、执行机构及线路组成，其中检测器负责实时采集各危化品仓储点的环境参数，如仓储内部空气中的温湿度、毒害气体和易燃气体的浓度等。执行机构(控制继电器)可以根据仓储环境的现状，实现对空调、去湿机、通风装置等电气设备进行反馈控制，从而调节危化品存储环境的状态。

2)传输层是基于 Modbus现场总线通信技术、4G网络技术，设计成混合型网络的一层，其关键设备是自主开发的4G DTU(data transfer unit)数据传输模块(数据通信网关)。传输层的主要功能是将感知层中采集到的环境数据上传至应用层，并将应用层的指令下发到感知层中的执行机构，起到上传下达的桥梁作用。

3)应用层，为系统的最高层，由 Web 服务器、MySQL数据库和云平台组成的上位机。学校安全员、管理员等人员登录该系统后，通过应用终端实现实时监测、参数设置、数据管理、反馈控制等功能，从而全面掌控全校N个危化品仓储环境的状态。

针对高校仓库存储的危化品呈种类多、相对分散等特点，有必要对以下3类情形进行重点检测[9]。

1)第1类是测温湿度，目的是避免仓储内部的温度、湿度状态量过高而引起的危化品自燃、火灾、爆炸等事故。

2)第2类是测爆，主要是防止甲烷、甲苯、甲醇、乙炔、氢气等可燃性气体泄漏后滞留在空气之中，一旦遇到火源、高温或静电就会导致爆炸事故。相比其他气体，甲烷在危化品仓库分布较多，呈无色无味，闪点低，极易发生爆炸的风险，选择其作为感知对象具有一定的代表性。

3)第3类是测毒，仓储内部存在一氧化碳、乙烯、硫化氢、氮气等窒息性有毒气体和氯、氨、二氧化硫、三氧化硫等刺激性有毒气体，有毒气体含量一旦超标，人体轻度吸入会引起呼吸系统、神经系统等疾病，严重吸入会造成人员死亡。相比其他气体，CO气体是实验中常用的一种气体，由于危害性较大，将其作为有毒气体重点检测很有必要。

表1是依据上述情形，选用“纽福斯”牌系列智能检测器作为仓储环境的感知对象，不仅其具有防爆功能、寿命长、灵敏度高、响应快、工作稳定等特征外，还具有内置变送器、采用 RS 485 串口 Modbus标准协议、便于接入系统和远距离传输等优点。

图2、3所示为基于STM32F103系列单片机作为主控芯片，将双路RS 485接口芯片、4G通信芯片、电压芯片等模块集成在一个开发板(PCB板)的正反面，共同构成数据传输模块4G DTU。该模块是本系统无线数据传输的终端和核心，开发板设计成DIN形状、塑盒封装，优点是户外导轨安装、维护方便。4G DTU涵盖的主要功能模块如下。

1)微控制器，微控制器和仓储环境检测器是整个系统现场监测的核心组成部分，而微控制器又是两者的控制中枢和主节点。综合考虑微控制器的主频、功耗、外设资源、性价比、市场供应等情况[10]。本系统选用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片，其主频为72 MHz, 内置512 KByte闪存存储器、64 KByte SRAM、片上外设资源丰富、功耗低、拥有较多的I/O口以方便后期的功能扩展。

图4所示为微控制器按Modbus中的 RTU协议读写检测器地址、设置相关参数阈值和环境参数交互，基于嵌入式微控制器对汇聚的实时数据分析处理后判断仓储环境是否异常[11],超出阈值时进行仓储环境的调节。微控制器通过串口与4G芯片模块通信，并将查询数据或执行指令实时发送至服务器端或执行机构，同时将相关数据存储至外部FLASH存储模块中，确保数据不丢失。

2)RS 485模块，RS 485通信是一种常用的总线通信方式，但总线极性一旦接反就会造成不能通信的情形。为改变其缺陷，在数据传输模块的开发板上集成了两块无极性RS 485接口芯片(WS 3085),该芯片最大通信速率为500 kHz, 最小通信速率为20 Hz, 具有自适应总线极性的优点。图5所示为一路RS 485总线上挂载各类从节点设备，包括温湿度、CO、CH4检测器以及相关执行机构，实现微控制器与检测器之间的通信，另一路RS 485总线接口作为备用接口用于连接上位机，实现DTU功能调试与相关参数配置。RS 485总线一般为A/B双绞线，在A/B线路上设计合适的上拉电阻、下拉电阻和TVS防护管保护，以确保数据通信的稳定和安全，RS 485接口分别接微控制器的USART1_RX和USART1_TX脚。RS 485接口电路设计。

通信协议方面，由于自定义协议扩展性差、漏洞多、开发周期长且没有完善的错误处理机制，故采用兼容性性强、行业标准、支持RS 485串口通信的 Modbus协议。Modbus协议在串行链路上实现的是一个主、从结构，即系统网络由微控制器作为主节点，检测器及执行机构作为从节点，每个从节点都有一个唯一的地址对应执行及回应指令。表2为报文帧结构，主节点通过报文帧中的地址域对从节点进行寻址，每条报文帧包含从节点地址、功能码、数据区内容(温度值或湿度值或CO值或CH4的值)、校验码等[12],因此，每个从节点的数据都用一串独立的报文进行传输，合理有效的对数据进行了区分。

3)4G模块，将移远QUECTRL EC20 R2.1芯片、SIM卡、射频、基带、高增益蓝牙天线[13]、外围电路等集成在数据传输模块的开发板上，当4G模块连接至远程服务器时(包括上电后激活的 SIM 卡接入 4G 无线网络),则将检测数据或指令执行响应实时发送至服务端。该模块除了支持FDD、LTE/TD-LTE两种制式外，还可以向下兼容2G/3G,支持TD-SCDMA/WCDMA/EDGE/GSM/GPRS/CDMA1等模式，在数据业务下上行速率可达100 Mbps, 下行速率可达50 Mbps, 同时还内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口、多种操作系统和软件功能。此外，该模块还将收集到的信息、短信等传输到应用终端或数据库，极大的拓展了其在物流、污水站、环境保护等领域的应用范围[14,15]。图6所示为EC20引脚设计电路，RXD是通过滤除杂波的二极管接收有效信息，三极管将功率放大后，数据通过EC20发出。SIM卡的各个时钟引脚、I/O口、复位引脚及电源引脚分别串入滤除杂波的电容后与地相连。

该程序设计是在C语言的环境下，使用KEIL4软件编程进行开发，主要涵盖有各种初始化程序、信号采集处理程序、执行机构驱动程序、数据传输程序等。检测器节点与数据传输模块确认连接之后开始采集数据，若参数小于阈值时直接传输至4G模块，若参数大于阈值，则将数据上传的同时，发出警报，进行相应的处理。其工作流程如图7所示。

各节点在数据采集时，先采集相关变量，再求出所需参数，变量和所需参数间的转换公式如下[16]。

1)温度数据处理，测量温度数据时，首先采集温敏电子的Adc电压值，根据绘制的电路图将电压值转化为电阻值，最后再将电阻值转换为温度值。其主要处理公式如下：

T=34353435298.15−In10KRX−273.15         (1)Τ=34353435298.15-Ιn10ΚRX-273.15         (1)

式中：T为温度值；RX为电阻值。

2)湿度数据处理，湿度包括绝对湿度和相对湿度，绝对湿度指单位体积的空气中含有水蒸气重量的实际数值，而相对湿度是指绝对湿度与该温度饱和状态水蒸气含量之比，其公式分别如下：

φ=ρWρW,max×100%=eE×100%=sS×100%         (2)φ=ρWρW,max×100%=eE×100%=sS×100%         (2)

式中：ρW代表绝对湿度；(ρW,max)则表示最高湿度；E表示蒸汽压；E则表示饱和蒸汽压；s和S则分别代表比湿和最高比湿。

ρW=e×m/(RW×T×V) (3)

式中：e表示蒸汽压；RW表示水的气体常数=461.52 J/(kg·K);T指的是温度；m表示在空气中溶解的水的质量；V表示空气的体积。

3)气体数据处理，在气体数据的处理中，主要运用差分吸收光谱技术，依据不同气体在紫外波带具有的窄带吸收性不同，通过不同气体的吸收光谱强度算出气体浓度。具体公式如下：

A=In(1T)=In(1Τ)=Ιn(I0(λ)I(λ))         (4)(Ι0(λ)Ι(λ))         (4)

式中：I(λ)为入射光经历与被检测气体反应后波长λ处反射光强；I0(λ)为波长λ处的入射光强。

V=V0+A×exp(-b×L×X) (5)

式中：b表示吸收率；L代表光道路长度；X代表密度；V0则表示出力电压的门限值。

节点程序设计中，设计其工作模式为单次采集10次所需测量值，去除最大最小值各两个，求出其余6次的平均值，将此平均值作为采集到的数据代入公式进行相关计算。

现场数据检测模块将数据通过4G模块上传后，云服务器对数据进行读取、解析，判断报文是否符合数据传输的格式，若不符合，则滤除该数据；若符合，则保留该数据，将各检测器节点监测到的数据对应到各节点的数据库，判断数据是否出现异常，异常时应用层发出警告，提醒安全员及时处理，同时将数据存储至数据库。安全员可根据节点ID或仓库号查看历史数据。根据气候或时节变化，管理员也可以在应用层改变阈值大小。其工作流程如图8所示。

在WH-LTE-7S4软件上通过设置波特率、数据位、停止位以及连接类型等方式配置4G通信模块，设置一串心跳包，每隔一定时间发送一次[17,18]。这样做的作用是通过查看服务器是否接收到心跳包来进一步判断应用层是否接收到数据。若服务器能接收到心跳包，说明4G通信模块工作正常，节点部分可能出现了问题；若没有接收到心跳包，则说明是通信模块出现了问题，如4G模块未配置成功或SIM卡缺少流量等情况。图9所示为4G通信模块配置软件的应用界面。4G通信模块配置完成后与检测器连接，方能将数据顺利上传至服务器。

危化品仓储远程监测系统主要功能分为系统管理、数据查询、实时显示、数据下载、阈值设置等，数据查询主要是按时间查询或按参数查询，呈柱状图或曲线图直观走势。数据下载包括选择参数下载或选择时间下载，形成Excel数据表格。实时显示包括应用终端数字显示或曲线显示。

1)硬件部署，系统运行场景选择扬州大学已建的10个危化品仓库，在部分仓库内部安装3个检测器和3个执行机构，3个检测器分别监测仓储环境的温度与湿度、CO、CH4;3个继电器分别控制防爆空调、除湿机和通风电机。

2)系统调试，系统开发完成后首先在实验室内进行了反复测试，每隔1 s对所有检测器轮询一遍，通过RS 485接口测试检测器感知数据，当数据大小位于设定的正常阈值范围内，按设定时间间隔1 min通过服务器测试4G通信模块传输数据，否则按时间间隔1 s上传数据。在确保没有数据错误和逻辑错误后才最终运行该系统，参数设置阈值：温度为25 ℃、湿度50%RH、CO为30×10-6、CH4为4LEL%。

3)运行结果，系统自2020年5月份在我校危化品仓库试运行以来，各类检测参数响应快、误差小、稳定性较好，符合设计的初衷。同时系统源源不断地将数据发送到服务器并展现给使用人员。图10所示为从服务器端数据库加载的6号库查询时间段内(2020-07-16 20:45～22:45)的部分测点的环境参数数据。可以看出服务器能够按设定的时间段1 min记录不同环境参数数据，形成参数变化趋势。为了验证参数异常情况下系统功能的正确性和快速响应性，运行过程中于21:15:42时人工在CO检测传感器处模拟异常信号源。从CO浓度趋势图的子图可以看出，在CO浓度超出设定阈值后，服务器端能够接收到按1 s的时间间隔增加密度上传的记录数据，并以红色异常点标出。图11所示为手机App实时巡查6号库的参数界面。

本文以检测器为仓储环境感知层，基于STM32微控制器研发4G DTU模块为传输层，通过云平台作为应用层，建立了危化品仓储环境远程监测系统。整个系统结构简单、扩展性强、成本低，满足危险品仓储环境基本参数的监测，具有较高的准确性、稳定性和可靠性。该系统不仅实现了危化品仓储的环境监测和环境调节，在大为减少人力和物力的同时，还有效避免了因管理效率低下、防范不到位而导致的各种风险。系统在实际推广应用时，还应根据试运行所监测的历史数据进行阈值调整，也可以根据仓储环境状态变化，配置相应检测器的类型和数量，以便更好地服务于高校危化品仓储管理。