基于LabVIEW的危化品仓库的安全监测系统设计

赵云峰 张嘉琪

摘要：为了降低危化品仓库人工工作方式存在的安全隐患，提高工作效率。通过LabVIEW平台在电脑上进行程序的编写，基于ZigBee无线通信技术、485串口通讯技术以及传感器技术设计了一套软件与硬件相结合的危化品仓库的无线监测系统。经过多次实验表明：ZigBee通信技术和485通讯协议可将仓库内传感器采集到的参数实时发送给计算机，再由计算机发送给云端LabVIEW客户端，实现对仓库的远距离监测，加强了危化品仓库的安全性。

关键词：危化品仓库;LabVIEW平台;ZigBee通信技术;485串口通讯技术;传感器技术

中图分类号：TP311.1      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0008-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Safety Monitoring System for Dangerous Chemical Warehouse Based on Labview

ZHAO Yun-feng， ZHANG Jia-qi

（Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to reduce the hidden danger of the manual work in the dangerous chemical warehouse and improve the work efficiency. Based on ZigBee wireless communication technology， 485 serial port communication technology and sensor technology， a wireless monitoring system of dangerous chemicals warehouse is designed by combining software and hardware. Through many experiments， it is proved that ZigBee communication technology and 485 communication protocol can send the parameters collected by sensors in the warehouse to the computer in real time， and then the computer sends them to the LabVIEW client in the cloud to realize the remote monitoring of the warehouse， the safety of the dangerous chemical warehouse has been strengthened.

Key words： dangerous chemical warehouse; labview platform; zigBee communication technology; 485 serial communication technology; sensor technology

1 背景

隨着我国经济的高速发展，危化品在人类的生活中的需求量及消耗量在逐年递增，用以储存危化品的仓库在不断增加。由于危化品自身具有易燃、易爆、有毒、有害及有腐蚀等特性[1-2]，导致其随时都存在着危险性，主要表现在危化品的生产、运输和储存等多个方面[3]。其中由于仓库内的危化品不仅在数量、种类、储存时间等多个方面都大于其他的几个方面，所以仓库储存存在很大的危险性[4]，为减少在储存过程中发生事故的可能性，降低成本以及提高效率，智能化的仓储管理应运而生[5]，并随着科学技术的发展逐渐完善。

本系统基于虚拟仪器LabVIEW平台将ZigBee技术与RS485串口通讯技术结合起来，通过软件对仓库内人员、危化品进行管理;利用传感器对仓库内信息进行采集并传递给计算机，计算机在通过MQTT协议将采集信息远距离传输给云端的LabVIEW客户端，达成对仓库的多层监管;利用二维码和指纹识别技术基本实现仓库的无纸化管理。

2 无线监测的硬件设计

本系统基于ZigBee技术与485通讯技术相结合并配合不同位置节点的传感器来对仓库内的参数进行监测。主要的硬件设计为参数采集装置及其电路图的设计、指纹识别模块的建立。

2.1 温湿度参数采集装置

当仓库内当温度（或者湿度、烟度等）过高时，容易使得仓库内化学品发生质变，会对人的身体产生危害，故需要对仓库的温度进行检测。图1为仓库内的温度采集装置的电路图。

其中图1-a中P1为ZigBee模块、P5为传感器。供电电源选用可充电式的12V的锂电池，电源电压经过如图1-b所示降压模块将电压降为5v后为ZigBee进行供电，实物图如图2所示。

参数传输流程为：不同节点的传感器将采集到的参数通过ZigBee无线网络打包上传给计算机（计算机能够通过自身的控制单元区分出传感器的信息来自哪个位置节点），计算机处理后再通过MQTT协议将接收到的消息上传到云端，此时，云端的LabVIEW客户端也可以接收到传感器采集到的参数信息。通过云端的监测为系统多提供一层保护屏障，大大加强系统监测的安全性。

2.2 气体参数采集装置

在危化品仓库内，为防止化学品发生泄漏对人体造成伤害，还需要对仓库内存在的气体进行采集。其通讯技术与上面温湿度采集的通讯技术类似，电路图、实物图分别如图3、图4所示。

气体采集装置需要考虑到仓库内存在的无关的气体对所需要采集气体的参数造成的干扰，因此为确保采集到的气体参数更加准确，在采集装置侧部安装一个风扇如上图4-b所示对气体进行循环。由风扇转动的开始或者停止带动装置周遭的气体的流动，使得目标气体可以稳定的流经传感器，用以保证采集参数的真实性。

2.3 指纹采集模块

当系统有药品流动时，相对于传统系统管理员的签字方法，本系统利用Live 20R指纹采集器采用对比指纹的方法来实现仓库的无纸化管理，更加保证本人亲自操作的真实性。系统管理员事先根据本人的实名信息录入自己的指纹，当药品流动时，领用人录入信息以及指纹后，只有系统管理员的指纹验证成功才能进行确认操作，否则无法进行后续流程。

3 软件设计

基于LabVIEW的危化品仓库系统的软件部分由虚拟仪器平台LabVIEW进行编程，其主要实现的功能如下。

3.1 人员登录模块

此模块主要根据人员的管理层次的不同对其开放的权限亦不同，系统软件的登录界面前面板如图5所示。当普通用户登录时，对其开放的功能仅有监测情况维护、查看药品信息;当系统管理员登录时，其不但可以享有普通登录人员的功能，还可以观看每日药品进出库的信息（包括何人购进的药品以及数量，还有何人借出的药品及数量），还能对仓库内设定的危化品报警阈值参数进行修改。当需要添加新的管理员时，还需要独立的验证密码，才能对其进行确认。

当需要对现有账号进行权限的变更或者添加新的账号时，需点击账号管理，再进行操作。当填完人员信息执行到最后一步的确认工作时，还需要输入特定的密码才能最终完成录入。

3.2 监测信息参数显示与报警模块

此模块主要通过把事先在仓库内排布好的传感器采集到的参数通过485通讯协议传输至计算机，在计算机上的显示参数面板图如图6所示，显示方式可分为数字显示以及X轴为时间、Y轴为采集参数值的更加直观的XY图形。传感器采集到的参数可以通过软件以天为单位进行保存，以便于可以观看到仓库一天内的各个参数的变化。保存方式分为以10s为一个单位的自动保存和人为操作的手动保存两种。

图7为自动保存功能程序框图，图8为查看历史数据以及打开图形显示程序框图。

参数设定界面以及编程图如下图9所示，参数采集方式分为实时采集，自动仿真以及手动仿真三种模式。不同类型传感器采集到的参数类型不同，故需要分别对不同参数的阈值进行设定。当传感器采集到的参数在设定的阈值范围内时，系统处于正常情况，继续进行工作;当采集到的参数值小于设定的参数下阈值（或者大于参数的上阈值）时，系统处于异常情况，此时就会触发报警装置——显示屏闪烁、报警铃声响起。

3.3 药品管理模块

3.3.1 数据库的建立

此模块包含两个数据库：药品库以及流水库。药品库内容为各个危化品的理化性质，应在软件系统运作之前就建立好;流水库主要的内容是对仓库内危化品的进出库进行记录（包括何人何时购进或者归还多少数量的药品、何人何时借出的药品和借出的药品数量、由哪个工作人员执行的操作，药品存放位置、药品规格以及药品的状态）。为避免人为误操作导致数据的不正常，将两个数据库的表格文件转化为二进制文件直接存于LabVIEW根目录中，这样做的优点为文件无法直接打开，从而无法对其进行更改，但可以在软件中显示，保证了文件的准确性。

3.3.2 药品管理模块的功能

此模块的功能依托于药品库和流水库主要表现为药品的查找以及出库、进库管理功能。

1）查找功能

查找功能主要是对药品在仓库内的信息进行查找。软件界面如图10所示，面板分为abcd四个板块，操作人员在a板块可根据药品名称、出入库日期、领用人以及存放位置作为关键字进行搜索，然后分别在b、c、d板块显示已经外借的药品和尚在库内的药品的信息表格、药品存放的位置以及药品的理化性质。

2）药品进库管理

进库管理软件界面图如图11所示。当有药品入库时，操作流程为：操作人员首先对药品进行检验，判断药瓶外表包装及其上面的标识是否完好，重量是否与实际相符，规格是多少;第二步根据本人实际信息填写个人信息;第三步根据药品库内存在的药品的信息进行搜索来选择药品信息，不能自行填写;第四步点击确认生成药品二维码（二维码具有唯一性）;第五步确认二维码与药瓶的一致性，将二维码粘贴至药瓶表面;最后点击确认存入数据库（二维码生成时，信息还没有录入数据库）。

3）药品出库管理

药品出库界面图如图12所示。操作流程为：第一步对领用人的信息填写;第二步确认扫描信息与药品的一致性，扫描药瓶上的二维码;第三步则是对领用人及操作人员的指纹的录入;最后确认出库后，操作信息流入数据库。

4 系统测试

此部分对监测系统的硬件及软件功能进行测试。首先将硬件的参数采集装置与软件的监测信息参数显示模块与报警模块结合起来进行测试，结果表现为当多个传感器同时工作时，ZigBee技术在合理的范围内的信息传输功能正常，传输速度较快，采集到的参数如图13所示，可以在软件上以数值或XY图形显示，每隔10s会自动保存，当采集到的数据大于（或小于）设置的参数阈值时，系统报警装置启动。然后将硬件的指纹采集模块以及软件的药品管理和人员管理结合进行测试，结果表现为不同层次的人员登录系统是开放的功能权限也不同，指纹對比的验证成功率在95.8%左右，能够查看仓库内的药品信息，可以对药品的进出库信息进行实时记录。

5 结束语

本文基于LabVIEW将ZigBee技术与RS485串口通讯技术结合起来设计一个危化品仓库的无线监测系统。可以连续稳定的对仓库内的参数进行采集，并通过MQTT协议远距离的发送至云端的LabVIEW客户端，减少仓库内人员的流动，降低危险隐患的程度，并与仓库的报警装置形成联动，加强了仓库的安全性。指纹识别技术使仓库基本实现无纸化管理，保证了本人操作的真实性。然而本系统还存在需要改进的地方，如仓库巡检或取拿药品时还需要人员亲自实施，因此后续工作可以设计一个能够自动巡检的AGV导引小车并对其安装机械手用于取放药品，提高系统的自动化、智能化与无人化。

参考文献：

[1] 赵建峰.危险化学品仓库的安全管理策略研究[J].化工管理，2020（24）：78-79.

[2] 李晞，王晓兵，陈会明.危险化学品名录研究[J].中国安全生产科学技术，2011，7（7）：138-145.

[3] Li Y，Ping H，Ma Z H，et al.Statistical analysis of sudden chemical leakage accidents reported in China between 2006 and 2011[J].Environmental Science and Pollution Research，2014，21（8）：5547-5553.

[4] 朱旭峰.危险化学品储存装卸环节存在的安全隐患及解决对策[J].石化技术，2020，27（8）：156，166.

[5] 李旭.智能化仓储管理信息系统设计研究[J].现代工业经济和信息化，2020，10（4）：31-32.

【通联编辑：谢媛媛】