基于物联网的化工危险品远程监控系统研究

曹保卫

(榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000)

基于物联网的化工危险品远程监控系统研究

曹保卫

(榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000)

为了提高化工危险品存储的安全性，基于物联网技术对化工危险品远程监控系统进行设计，设计的系统包含化工危险品仓储综合信息采集系统、信息数据传输系统和远程监控中心系统，应用各种传感器实现数据的采集，并将RFID标签贴于化工危险品包装上，实时获得危险品位置信息，应用NRF24L01模块和MC9S12XS128单片机实现数据的传输和控制。最后对系统的功能进行测试，结果表明，该系统能够实现采集数据的实时传输，传输的准确率较高，满足系统需求。

物联网；化工危险品；安全监控

近年来，随着我国经济的发展，我国危险品的使用种类和数量越来越多，其特性越来越复杂，危险程度也越来越高。根据相关资料显示，当前我国经常使用的危险品种类已经达到2 000多种[1]，虽然当前已经有一些生产厂家设计了基于GPS和GIS的危险品车辆的监控系统，但是现有的危险品监控系统不能满足危险品的监控需要。物联网技术的发展和应用为危险品的安全监控提供了技术支撑，基于RFID和GPRS技术的危险品物流系统[2]也得到了广泛的应用。文章主要基于物联网技术设计危险品仓库安全监控系统，实时监控仓库内的环境，一旦环境指数超出设定的阀值即发出警报，最大程度降低了危险品存储过程中的事故发生率。

1 物联网技术简介

“物联网”系统就是应用互联网将所有的物品采用射频识别技术(RFID)和传感技术联系在一起，组成一个网络，实现物品的智能化识别和管理[3]，该网络中包括各种传感器、激光扫描器、全球定位系统及射频识别装置[4-5]。物联网仍然以互联网为核心，他是互联网的扩展和延伸，为了能够进行信息通信和交换，其用户端扩展和延伸到了任何物品与物品之间。物联网包括感知层、网络层、应用层[6-7]。感知层主要是以物联网的全面感知能力为核心，以GPS、RFID、EPC及各种传感器等传感技术为基础，对各种“物”进行识别，采集信息，其关键问题是提高感知能力的精确性和全面性，降低成本，解决小型化和低功耗的问题。网络层是物联网的基础设施，通过各种通信网、互联网及专用网、接入网等对数据进行精确计算和有效传输，优化和改进物联网的应用特征，形成各种协同的感知网络。应用层主要是提供丰富的基于物联网的应用，例如依靠手机、个人计算机等终端设备以及数据中心所构成的专用或系统网络，从而实现了各种智能化的应用。其特征示意图见图1。

图1 物联网的组成

2 基于物联网的化工危险品远程监控系统

化工危险品的远程安全监控系统主要包括3部分，分别为化工危险品仓储综合信息采集系统、信息数据传输系统和远程监控中心系统，实现对危险品状态的监测与安全预警、位置跟踪、存储过程中信息记录等功能，安全监控系统结构如图2所示。

图2 安全监控系统结构

2.1危险品综合信息采集系统

由于化工危险品具有易燃易爆等特点，因此，其仓储条件要求十分严格，系统采集系统主要是对仓库信息进行采集和集中处理，由各种传感器和数据变换设备组成[8]。根据制定的危险品仓储条件和规范要求对仓库的信息环境进行采集，包括仓库的气体浓度、温度、湿度、压力、液位等信息，同时安装摄像头，将采集的信息实时发送至监控中心，一旦发生监控数据异常的情况或者检测到一些危险元素，监控中心能及时做出反应，排除安全隐患，降低事故发生率，发生突然事故之后，系统也能及时通报监控中心，及时做出救援反应，确定发生问题的原因。

化工危险品安全监测主要是通过传感器完成，这些传感器实时监控仓库危险品状态，其原理见图3。液位传感器、压力传感器以及气体传感器等，这些传感器采集到的气体浓度值、液位高度值、压力值等都是比较小的电压信号或者电流信号，必须采用相应的装置对这些信息进行放大、滤波处理之后，将其转化成数字信号之后传输到监控中心显示。而温湿度传感器不用经过A/D转换就可以与单片机相连。由于化工危险品传感器监测数据采集时间十分重要，因此，需要确保本地时间的准确性，为了保证时间准确性，系统采用本地时间和网络校时2种模式保持采集时间的准确性。

图3危险品状态监测原理

2.2信息传输系统

1)无线传输模块

为了传输上述采集到的信息，需要构建信息传输系统，布置传感器和无线模块形成无线传感节点，实现无线传感网络的组网。为了将无线传感网络连接在一起，需要构建无线传感汇聚节点(SINK)，负责接收每个传感器网络节点的信息，然后将这些信息进行重组构成包含状态信息的完整的数据帧，传送到上位机，并对各个传感器节点的数据采集速度、发送速度及睡眠时间等进行控制，无线传感结构见图4。

图4 物联网中无线传感节点结构

无线传输模块采用NRF24L01，该模块工作在2.4GHz全球开放ISM频段。由于数据在空中传输的时间较短，因此，无线传输中发生碰撞的概率较低。当此模块工作在应答模式通信时，由于启动时间很短，空中传输速度很快，可以显著降低传输的电流消耗。该模块的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或利用单片机I/O口模拟SPI口进行连接。并且该模块集成了链路层，提高了开发效率。此外，该模块还可以实现自动检测、自动重发功能，防止数据包丢失。

2)单片机MC9S12XS128

单片机选择MC9S12X128单片机，由飞思卡尔公司生产[9]，该单片机的工作电压低、稳定性好，典型的S12总线频率为25 MHz，最高可超频至80 MHz，锁相环(PLL)系统时钟发生器利用较低的外部振荡器频率产生高速片内总线时钟，噪声低，该单片机能够实现和NRF24L01无线传输模块及各种传感器的兼容，尤其是可以与I/O接口直接相连，无需进行电平转换。单片机控制器结构见图5。

图5 单片机控制器结构

3)RFID标签信息读取

在化工危险品储存过程中需要读取危险品的信息，传统的危险品信息获取采用人工登记和统计方式，十分繁琐，并且容易出现错漏等问题。采用物联网技术之后，可以采用RFID技术，在化工危险品入库时粘贴RFID标签，并在RFID标签中写入基本信息，对RFID标签进行扫描时，其位置信息等将传输到监控中心计算机进行处理。读取RFID数据时，为了提高检测信号的强度，防止出现数据缺漏或者不能及时更新和传送的情况，保证数据完整性，需要设计重发机制，将读取的数据保存在本地存储器中，经过延时之后从本地存储器中读取数据进行发送，保证发送数据的完整性。

图6 RFID信息读取

2.3远程监控中心系统

远程监控中心系统是整个化工危险品仓库监控系统的核心，对采集的数据进行汇总、分析、通信传输、监控与指挥等。通过接受仓库终端发送回的信息，通过无线网络和摄像头实时接受数据，分析各个危险品的指标参数，监控仓库状态。配置各种专用的应用管理程序和服务器用以数据分析，制定指导解决方案。同时制定应急预案，并和救援调度系统相互配合，一旦发生突发情况，及时救援。通过查询事故发生前的仓库危险品状态的信息记录，加上专业软件技术人员的分析，能推导出事故的诱因或直接原因，使得在责任认定时证据充分、更准确更直接，也对后续运输工作方案及操作流程提出警示和整改方案。

3 系统测试

系统设计完成之后，需要对系统的功能进行测试，包括数据采集测试、数据传输测试、远程监控中心功能测试。文章以数据传输稳定性测试为例对系统的测试结果进行分析，启动信息采集系统和数据传输系统、远程监控中心平台，将远程监控中心平台接收到的状态数据和采集传输的状态数据进行对比分析，判断无线通信网络数据传输的稳定性，测试结果见表1。通过实际测试可知，远程监控中心能够比较准确的接收到实时传输的各种状态数据，满足化工危险品仓库实时监控的需要。

表1 无线远程数据传输测试结果

4 结 语

文章对化工危险品远程监控系统进行设计，并对系统功能进行测试。该系统能够对仓库的环境及危险品信息进行实时监控，并及时发现异常进行报警，还可以将接收到的数据保存在计算机数据库中，实时查看和打印，系统的能耗较低，且数据采集的准确率高。在监控领域有较大的前景和市场。

[1] 赵来军, 吴萍, 许科. 我国危险化学品事故统计分析及对策研究[J]. 中国安全科学学报, 2009, 19(7): 165-170.

[2] 陈媛, 张静, 黄丽丰. 基于RFID和GPRS技术的危险品物流系统模型研究[J]. 包装工程, 2008, 29(5): 78-80.

[3] 孙其博, 刘杰, 黎羴, 等. 物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报, 2010, 33(3): 1-9.

[4] 刘海涛. 物联网技术应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[5] 朱洪波, 杨龙祥, 于全. 物联网的技术思想与应用策略研究[J]. 通信学报, 2010, 31(11): 2-9.

[6] 李瑞江, 马宏伟. 基于物联网的安全传输模型建立的研究[J]. 电子设计工程, 2015(14): 42-44.

[7] 黄玉兰. 物联网体系结构的探究[J]. 物联网技术, 2011(2): 58-62.

[8] 高连周. 基于物联网技术的道路危险货物运输智能监控系统的研究[J]. 物流工程与管理, 2013, 35(3): 80-82.

[9] 王宇楠, 黄继伟. 基于物联网的仓库监控系统设计[J]. 物联网技术, 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

曹保卫(1975-)，男，陕西榆林人，博士，讲师，研究方向：光催化技术、化工机械等，手机：13891229998，E-mail：ylcaobaowei@sina.com。

TP311

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.042