魏東格，張嘉琪，謝繼標(biāo)，楊慧聞，蘇俊全

（天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

根據(jù)我國(guó)《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄（2015 版）》，目前已知的危險(xiǎn)化學(xué)品（簡(jiǎn)稱(chēng)“危化品”）有2828 類(lèi)，約數(shù)萬(wàn)種。 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及工業(yè)化的快速發(fā)展，化學(xué)品的使用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，?；返氖褂迷诜N類(lèi)和數(shù)量上不斷增加，與人民生活的關(guān)系也越來(lái)越緊密，與此同時(shí)?；返陌踩芾砑笆褂脝?wèn)題也變得越來(lái)越突出，由危化品自身所屬的危險(xiǎn)性質(zhì)而引發(fā)的事故在途徑、程度、范圍等維度內(nèi)也在逐步增大。安全使用化學(xué)品包括化學(xué)品的產(chǎn)出、運(yùn)輸、存儲(chǔ)3個(gè)方面[1]。 其中，存儲(chǔ)最有可能存在隱患，數(shù)據(jù)表明?；肥鹿实?%發(fā)生在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中[2-3]。 2015年天津港“8.12”瑞海公司危化品倉(cāng)庫(kù)發(fā)生特大火災(zāi)，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，震驚全國(guó)[4]。

為了將?；钒踩卮娣旁趥}(cāng)庫(kù)之中，需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，同時(shí)要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)工作并且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。ZigBee 技術(shù)功耗低、成本低、延時(shí)短、容量高等特點(diǎn)恰好契合這一需求[5-6]。故在此基于ZigBee 設(shè)計(jì)了危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用ZigBee 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)與RS-485 技術(shù)相結(jié)合，與傳感器組成下位機(jī)采集模塊，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)PC 端，由計(jì)算機(jī)編寫(xiě)LabVIEW 控制程序，處理并分析環(huán)境參數(shù)。 所形成針對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)的中距離范圍無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7-8]，可以改進(jìn)傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)的效果，從而更好地保證危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。 選取具備RS-485 通訊協(xié)議的溫濕度等傳感器[9]，利用485 總線(xiàn)的電源正負(fù)接線(xiàn)腳，使用鋰電池為其供電，利用A，B 接線(xiàn)口將采集數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee終端，同時(shí)將電源電壓12 V 連接到降壓模塊，經(jīng)降壓模塊輸出5 V 電壓，為ZigBee 終端供電。 計(jì)算機(jī)通過(guò)USB 接口連接ZigBee 協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)對(duì)危化品倉(cāng)庫(kù)的基本環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸[10]。其中，ZigBee 芯片采用SZ05-ADV-RS485 嵌入式無(wú)線(xiàn)模塊，標(biāo)準(zhǔn)串口RS485 數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通訊，最大傳輸距離能夠達(dá)到200 m。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the overall structure of the system

圖2 系統(tǒng)整體實(shí)物Fig.2 Overall physical object of the system

1.2 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)，使用圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序?yàn)榭驁D形式，能夠有效地將信息采集模塊與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)。 程序后臺(tái)如圖3所示。

圖3 LabVIEW 程序框圖Fig.3 LabVIEW block diagram

采集模塊通過(guò)Modbus 協(xié)議將采集到的信息“打包”，經(jīng)過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送至計(jì)算機(jī)。 通過(guò)I/O控制單元軟件對(duì)不同傳感器進(jìn)行識(shí)別編號(hào)，因此能夠清晰地區(qū)分出不同傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。 此處，上位機(jī)軟件選用虛擬儀器軟件架構(gòu) （VISA）函數(shù)，VISA 函數(shù)可以通過(guò)改變VISA 的配置參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與不同接口之間的連接。 上位機(jī)主控部分的整體結(jié)構(gòu)即為實(shí)現(xiàn)串口通信的結(jié)構(gòu)，整個(gè)串口通信的結(jié)構(gòu)可以拆分為4 個(gè)主要部分：

1）串口初始化配置與串口的選擇 通過(guò)VISA配置串口控件對(duì)串口進(jìn)行初始化配置。 配置完成后，將移位寄存器存儲(chǔ)串口與所選擇的串口進(jìn)行對(duì)比。 若兩接口不一致，需將移位寄存器中串口關(guān)閉，對(duì)新串口重新配置，并設(shè)置串口緩存區(qū)大??；若一致，則直接進(jìn)行下一步操作。

2）發(fā)送指令 主要通過(guò)指令發(fā)送子VI 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 指令發(fā)送子VI 中含有VISA 寫(xiě)入控件，將發(fā)送的指令、設(shè)置的參數(shù)等寫(xiě)入緩存區(qū)。

3）數(shù)據(jù)接收 先通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)讀取串口寫(xiě)入數(shù)據(jù)的位數(shù)，判斷與移位寄存器儲(chǔ)存的上次操作讀取的位數(shù)一致且不為0 后，進(jìn)行VISA 讀取操作，并顯示接受數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。 讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)CRC 校驗(yàn)子VI 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)；通過(guò)數(shù)據(jù)接收子VI 實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的顯示及設(shè)置命令的反饋，還可以判斷各參數(shù)是否達(dá)到報(bào)警限值而決定是否啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)。

4）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存 生成日志文件，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能。

2 危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)試方案及過(guò)程

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用閾值比較法來(lái)判斷環(huán)境參數(shù)是否正常，即針對(duì)不同參數(shù)為其設(shè)定上、下限。 當(dāng)接受到的數(shù)據(jù)處于安全閾值之內(nèi)時(shí)，僅做記錄而不做其他處理；當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定閾值范圍時(shí)，軟件交互界面有相應(yīng)的報(bào)警提示，并且與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。 其邏輯關(guān)系如圖4所示。

針對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)，考慮到溫濕度、氣體壓力、火災(zāi)報(bào)警等參數(shù)是判斷監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)處于臨界狀態(tài)及其重要的指標(biāo)參系統(tǒng)[11-12]，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)由多氣體報(bào)警器、紅外火災(zāi)報(bào)警器、酒精傳感器、溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警器、有毒氣體（CO，H2S，SOx等）傳感器等組成。 傳感器均采用標(biāo)準(zhǔn)RS485 通訊方式和Modbus 通訊協(xié)議。

圖4 邏輯關(guān)系Fig.4 Logical relationship

倉(cāng)庫(kù)溫度的管控是?；穫}(cāng)庫(kù)管理的重中之重，本田汽車(chē)（中國(guó)）有限公司就通過(guò)引進(jìn)某品牌溫度智能化監(jiān)控系統(tǒng)，使?；穫}(cāng)庫(kù)的管理現(xiàn)狀得到有效改善[13]。 因此，為測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，采取在實(shí)驗(yàn)室人為改變測(cè)試環(huán)境的試驗(yàn)方法，分別測(cè)得溫濕度、室內(nèi)煙度等2 組數(shù)據(jù)。 采用HSTL-104WS 數(shù)顯溫濕度變送器，其溫度范圍為-20～80 ℃，RS485輸出，且變送器本身具有顯示功能，可與上位機(jī)電腦實(shí)時(shí)比對(duì)。 溫濕度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，交互界面可以顯示單一參數(shù)曲線(xiàn)或同時(shí)顯示多種參數(shù)變化情況。

圖5 溫濕度測(cè)試結(jié)果界面Fig.5 Temperature and humidity test result interface

起初傳感器顯示為室溫及室內(nèi)空氣濕度。 由圖可見(jiàn)，隨著向傳感器發(fā)射沸騰的水蒸氣，傳感器反應(yīng)迅速，濕度明顯上升，且溫度變化不大。 然后將干燥的熱風(fēng)吹向傳感器，隨著熱風(fēng)將水蒸氣帶走，濕度數(shù)值逐漸下降，同時(shí)溫度上升。 最后，撤除所有人為干預(yù)數(shù)值重又逐漸恢復(fù)到室溫狀態(tài)，即符合物理規(guī)律，又能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，并在LabVIEW交互界面顯示出實(shí)時(shí)的數(shù)值和變化曲線(xiàn)。

測(cè)得另一組煙度變化曲線(xiàn)，如圖6所示。 在一封閉空間內(nèi)2 次點(diǎn)燃紙張，測(cè)得對(duì)應(yīng)2 個(gè)峰值的曲線(xiàn)，能夠反映實(shí)際情況。

圖6 煙度測(cè)試結(jié)果界面Fig.6 Smoke test result interface

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

借助ZigBee 通訊延遲低的特點(diǎn)，將記錄頻率設(shè)計(jì)為每秒記錄1 次，或相同的任意時(shí)間間隔記錄1次，極大程度地提高了精準(zhǔn)性，可得到連續(xù)的變化曲線(xiàn)，直觀且清晰地表達(dá)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。 曲線(xiàn)的變化可以很直觀地反映出環(huán)境參數(shù)的變化過(guò)程，具有一定的參考價(jià)值。 經(jīng)過(guò)與傳感器本身的數(shù)字顯示比對(duì)，延遲幾乎可以忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。

此次試驗(yàn)場(chǎng)地為跨樓層的2 個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，ZigBee 傳輸信號(hào)受到建筑物墻體的影響，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而通過(guò)ZigBee 模塊的中繼功能便可以很好地解決這一問(wèn)題。 先將終端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸?shù)铰酚善?，再由路由器發(fā)送時(shí)協(xié)調(diào)器。 因此，跨樓棟傳輸也是可行的，為危化品倉(cāng)庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控創(chuàng)造了可能，從而替代人工現(xiàn)場(chǎng)采集的過(guò)程。 若為大型場(chǎng)地，還可以通過(guò)區(qū)域劃分，按照相關(guān)法規(guī)，布置傳感器數(shù)量，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)死角全面測(cè)量。

在此以溫濕度傳感器為例，展示該系統(tǒng)的部分功能。 其中包括（如圖5和圖6所示）交互界面有打開(kāi)、關(guān)閉曲線(xiàn)，保存、打開(kāi)文件等操作按鈕，生成日志文件，便于隨時(shí)調(diào)取記錄，并且利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ茏疃嗫梢赃B接256 個(gè)任意功能的傳感器。另外，通過(guò)閾值判斷，可以確定環(huán)境參數(shù)是否處于正常區(qū)間內(nèi)。 當(dāng)超出預(yù)先設(shè)定的上下限，交互界面給出相應(yīng)的燈光提示，并且可以與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常，第一時(shí)間報(bào)警，大大降低因?yàn)楣ぷ魅藛T的反應(yīng)時(shí)間所造成的延誤。 通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析可以更好地總結(jié)危化品管理的經(jīng)驗(yàn)，減小事故的發(fā)生率。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于安裝維護(hù)，可以采用固定安裝和移動(dòng)安裝的靈活安裝方式，本身自帶充電式鋰電池，由于ZigBee 芯片能耗很低，因此僅通過(guò)鋰電池供電就可以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間使用的效果；即插即用，不受建筑結(jié)構(gòu)所限制，由于不需要更改固有線(xiàn)路，尤其適用于臨時(shí)搭建儲(chǔ)存場(chǎng)所或老舊場(chǎng)地。 針對(duì)不同場(chǎng)所靈活選擇傳感器種類(lèi)，自由搭配，靈活性高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)所建立的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以連續(xù)穩(wěn)定地采集環(huán)境參數(shù)，并以數(shù)字化的形式顯示出來(lái)，既能省去人為記錄的過(guò)程，還能與報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，最終達(dá)到加強(qiáng)?；穫}(cāng)儲(chǔ)安全管理的目的，具有一定的安全意義。 然而該系統(tǒng)尚有許多待于改進(jìn)的地方：應(yīng)豐富不同的模塊中不同的通訊方式，對(duì)每一個(gè)模塊實(shí)施進(jìn)一步的細(xì)化和優(yōu)化；將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳至云端，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“無(wú)線(xiàn)”的思想，加強(qiáng)不同管理層對(duì)于信息的把控。