工业危害气体泄漏安全监护系统设计探微

赵阳

摘 要：本文提出的工业维护气体泄漏安全监护系统可以实时将生产现场工人所处位置、活动情况、周围环境危害气体浓度等信息汇集到数据服务器，监护人员及时了解现场工人所处环境的危害情况，根据危害程度不同给出预警，保障现场作业工人人身安全。

关键词：危害气体；泄漏；安全；监测系统

一、系统结构特点

该系统具有以下特点：1）可以检测多种有毒有害气体，例如H2S、CO、SO2、CH4、NOX等；2）采取GPS与RFID相结合的定位方式，定位精确；3）携带者安全状态实时监护；4）支持短消息功能，方便现场作业人员安全监护预警；5）便携式气体检测仪器符合安全防爆要求，可用于防爆1区；6）基于GPRS组网，扩展性好，易于部署，适合于大规模推广应用。

二、个体安全检测仪器设计

（一）硬件设计

为了达到工业应用要求，个体安全检测仪器采用工业级微处理器STM32F103为核心，外接各功能模块实现所有功能要求。危害气体传感器经过调理电路处理后输出模拟信号给微处理器，实现气体浓度检测功能；精确定位采用GPS和RFID相结合的方式，石化生产装置空旷区域采取GPS定位方式，生产装置平台或受限空间等区域（无GPS信号）采用RFID射频卡定位方式，这两个模块通过两个串口连接到微处理器；人体状态通过三轴加速度传感器监测实现，结合浓度和区域风险等级信息综合判断现场作业人员是否发生危害情况；GPRS模块通过串口连接到微处理器，周期上传检测数据到服务器。为了达到仪器携带方便，操作简单，采取硬件分块布局方式，仪器包括3块电路组成：人机接口电路、气体检测电路和主板电路。

（二）软件设计

个体安全检测仪器要求及时检测环境危害气体浓度、携带者活动状态等，通过GPRS及时上传数据到服务器，同时，集成了菜单操作、各种报警、实时时钟等，集成功能多，数据处理复杂，合理的软件结构是仪器稳定运行的基础。μC/OS-II作为一种源代码公开的嵌入式操作系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点，使用可剥夺型的内核，所有时间要求苛刻的事件都能得到快捷、有效处理。

首先，完成μC/OS-II实时内核在STM32F103硬件平台上的移植，相关代码包含在文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S中，重新定义与STM32F103相关的数据类型、宏、结构体、任务堆栈初始化和上下午切换函数；之后，完成仪器各功能模块驱动程序开发，包括I/O口设置、电源管理、定时器设置、A/D转换、危害气体检测数据处理、跌倒检测模块、GPS定位、液晶显示、数据存储、无线传输等；最后，完成了应用层程序开发，相关代码包含在MEN-U.C、TASK_INIT.C和TASK_GUI.C三个文件中，将仪器各项功能分配在多个任务中实现，并且通过OS_CFG.H、HW_CFG.H和APP_CFH.H配置操作系统资源、硬件资源、任务内存和堆栈大小，保证系统仪器各项功能实现和软件稳定运行。

（三）防爆设计

个体安全检测仪器防爆设计时需要处理好以下几点：1）危害气体传感器防爆；2）电池防爆；3）电路板防爆；4）便携式仪器结构外壳。针对这些防爆关键点，分别采取了以下措施：1）选用国际大品牌气体传感器产品，本身已经达到了本质安全/隔爆要求；2）为了保证仪器足够的续航时间，选用了大容量聚合物锂电池，在防爆设计时设计了电池保护电路，并且与电池一起单独封装；3）其他电路设计时，避免采用大容量储能元器件，例如大容量电容、电感等，电源充放电管理电路设计了阻塞电路，避免了短路、大电流等情况引起的防爆安全隐患；4）在仪器外壳设计时，数据存储卡和GPRS通信卡完全密封在仪器外壳内部，通过一体化设计方式，仅留有危害气体传感器与大气联通窗口，不仅达到了防爆要求，而且符合相应的防护等级要求。通过以上防爆设计，整个仪器符合本质安全隔爆要求，达到了防爆1区使用的要求。

三、安全监护软件设计

（一）技术架构

安全监护管理软件用于保存个体安全检测仪器上传的数据，同时，给安全监护人员提供监护界面，监护现场作业人员位置、状态、周围环境危害气体浓度等。系统采用B/S架构设计完成，B/S结构能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式访问和操作共同的数据库，能有效地保护数据平台和管理访问权限，保障数据库服务器的安全，特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后，B/S架构管理软件更是方便、快捷、高效。基于J2E架构，采用MVC设计模式，应用业界最佳实践的面向服务架构（SOA），最大程度保证整个系统的兼容性和开放性。

（二）监护管理功能

安全监护管理软件主要功能有危害气体种类维护、安全监护仪器维护、射频卡信息维护、厂区信息维护、检测数据展示、ArcGis图形展示；报警信息实时推送、短消息推送等。危害气体种类维护，包括物理特性、应急措施、报警设置等子项；安全监护仪器维护，包括仪器基本信息、携带人员、所处工作区域等子项；射频卡信息维护，包括卡片编号、放置位置子项；检测数据展示，可查看实时数据、历史数据、厂区数据；ArcGis图形展示，基于ArcGis地图或者厂区平面图实时跟踪携带者位置，实时掌握区域内携带者状态、环境危害气体浓度分布。

四、实验结果

（一）仪器功能测试

测试选用了一台检测H2S和CH4两种危害气体浓度的仪器，在实验室开展了测试实验。主要测试H2S浓度检测、CH4浓度检测、RFID读卡、人机操作等功能。

（二）安全监护功能测试

测试选用了4台能同时检测H2S和CH4两种危害气体浓度的仪器，在某炼油厂生产装置现场开展测试，由工人携带这些仪器开展现场工作作业，通过监测管理软件监测现场作业人员的安全，测试无线数据传输、GPS定位、携带者跌倒检测、报警、短消息提示等功能。

五、结论

针对石化工业生产过程中危害气体泄漏，现场作业人员安全监护问题，提出了一种基于STM32F103和GPRS网络的气体泄漏安全监护系统，给出了系统结构、个体安全检测仪器软硬件设计、安全监护管理软件设计，并且进行了仪器功能测试和安全监护功能测试。实验结果表明：该系统危害气体浓度检测精度高、定位精确、无线传输范围广、实用性强、运行稳定，可应用于石化气体个体安全防护、事故应急处置、危险场所作业安全监护等领域。

参考文献：

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