吳敏敏

【摘? ? 要】本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于云服務(wù)技術(shù)的有害氣體監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)固定的氣體探測(cè)器對(duì)重要生產(chǎn)環(huán)境、關(guān)鍵部位環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由4G DTU和控制器實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算、分析，判斷是否要打開(kāi)對(duì)應(yīng)范圍排氣系統(tǒng)以及自動(dòng)封鎖相關(guān)氣體源頭，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器，預(yù)防危險(xiǎn)事故的發(fā)生，降低工傷、工亡的發(fā)生幾率。最后應(yīng)用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技術(shù)完成軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，完成的系統(tǒng)已取得了良好的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】云服務(wù)技術(shù)? 有害氣體? 自動(dòng)報(bào)警

中圖分類號(hào)：G4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.22.004

工業(yè)生產(chǎn)部門在生產(chǎn)過(guò)程中，如果不對(duì)產(chǎn)生的濃度超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)有害氣體進(jìn)行處理直接排放到大氣中，就會(huì)影響作業(yè)者的安全與健康，也會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成污染。如果企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)有害氣體泄漏沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，甚至?xí)?yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全。比如食品生產(chǎn)中產(chǎn)生的二氧化碳，該氣體無(wú)色無(wú)味，但只要達(dá)到一定的濃度，直接危及作業(yè)人員生命，所以當(dāng)監(jiān)測(cè)到區(qū)域該氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)，要及時(shí)開(kāi)放逃生通道，增加氣體的循環(huán)排出，以增加工作人員的生存幾率?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》（國(guó)發(fā)[2010]23號(hào)）提出企業(yè)要建立完善的安全預(yù)警機(jī)制，出現(xiàn)事故征兆時(shí)要及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，避免重特大安全事故的發(fā)生。

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，特別是有害氣體檢測(cè)裝置和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、大數(shù)據(jù)的不斷成熟，為有害氣體監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提供了新的解決方案。自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)⑵髽I(yè)的生產(chǎn)安全管理從事故發(fā)生后采取應(yīng)急措施的管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑皩?duì)安全生產(chǎn)隱患進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)防安全事故的發(fā)生為主的管理模式。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)可能發(fā)生的安全事故進(jìn)行預(yù)報(bào)，最大限度地降低發(fā)生事故的可能性以及后果的嚴(yán)重程度。

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)固定的氣體探測(cè)器采集關(guān)鍵部位的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)4G DTU和控制器將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給云服務(wù)器，最終通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸給客戶端，管理者可以通過(guò)電腦、LED顯示屏、手機(jī)APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)異常由本地控制單元及時(shí)反向控制本地風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行處理和報(bào)警，同時(shí)云端服務(wù)器也會(huì)通過(guò)微信將報(bào)警信息推送給管理者。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)控設(shè)備，并把監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，管理者可以通過(guò)電腦、LED顯示屏、手機(jī)實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。

1.系統(tǒng)中的氣體探測(cè)器采用美國(guó)MSA公司的Ultima-X氣體探測(cè)器，該探測(cè)器可以檢測(cè)可燃?xì)怏w和有害氣體，檢測(cè)原理是利用紅外吸收檢測(cè)可燃?xì)怏w，利用電化學(xué)檢測(cè)有毒氣體。探測(cè)器的外殼是不銹鋼，有防爆功能，且具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)快，高可靠性、穩(wěn)定性，高濃度可燃?xì)怏w沖擊下也不會(huì)靈敏度下降等優(yōu)點(diǎn)。

2.系統(tǒng)中的4G DTU是能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)的通信終端設(shè)備。傳感器串口原始數(shù)據(jù)通過(guò)RS485/232傳輸?shù)紻TU轉(zhuǎn)4G網(wǎng)絡(luò)。4G DTU支持TCP/UDP/HTTP/MQTT多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議服務(wù)器，支持自定義登錄包/心跳包，防止網(wǎng)絡(luò)斷線或死鏈接，保障設(shè)備持續(xù)在線。

3.本地控制器：能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析，并能夠根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷是否要啟動(dòng)本地的風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)因?yàn)楸镜乜刂破髂軌蜻M(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而減少?gòu)挠布到y(tǒng)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器的數(shù)據(jù)流量，減少流量壓力。

4.風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)能夠控制排氣系統(tǒng)和運(yùn)行閥門等。

5.氣體濃度報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器檢測(cè)到環(huán)境中的有害氣體濃度達(dá)到設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于高度不同，氣體的濃度就不同，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的氣體濃度報(bào)警器存在因?yàn)闆](méi)有辦法遠(yuǎn)程操控報(bào)警器的高度而無(wú)法保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度的問(wèn)題。本系統(tǒng)中使用的氣體濃度報(bào)警器，將報(bào)警器主體安裝在支撐架上，支撐架上設(shè)有用于控制上升和下降的高度調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)設(shè)備包括：螺紋桿、螺紋座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑塊、滑槽、抵觸桿、行程開(kāi)關(guān)等。通過(guò)操縱驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制螺紋桿進(jìn)行往復(fù)性垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)報(bào)警器的高度進(jìn)行調(diào)整的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度的氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。

6.防爆保護(hù)監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)安裝具有防爆保護(hù)、紅外夜視、防水功能的監(jiān)控設(shè)備，保證管理者可以隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。目前常用的監(jiān)控設(shè)備都是固定裝置，監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍有限，這樣就會(huì)出現(xiàn)無(wú)論把監(jiān)控安裝在任何方位，監(jiān)控死角都難以避免的情況。本系統(tǒng)中使用的防爆保護(hù)監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)在所需監(jiān)控的區(qū)域頂部鋪設(shè)多個(gè)可以形成循環(huán)閉路的滑軌，利用調(diào)速電機(jī)和移動(dòng)輪的傳動(dòng)，使得監(jiān)控設(shè)備能夠在滑軌上移動(dòng)，并利用調(diào)節(jié)齒條和調(diào)節(jié)齒輪之間的傳動(dòng)，調(diào)整探頭的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域全方位的監(jiān)控，從而避免監(jiān)控死角的出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)在高溫、甚至雨雪等惡劣環(huán)境下，仍能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，采集的數(shù)據(jù)精確可靠。系統(tǒng)能夠探測(cè)的氣體包括氨氣、二氧化碳、一氧化碳、磷化氫、氫氣、沼氣、天然氣、氮?dú)獾?，響?yīng)速度T90少于2秒，工作濕度0～95%RH不凝露，工作溫度-40到60攝氏度，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)可用于化工廠、實(shí)驗(yàn)室、污水處理站、倉(cāng)庫(kù)等有害氣體監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警。

二、基于云服務(wù)技術(shù)的軟件系統(tǒng)

（一）軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

云服務(wù)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，推送微信報(bào)警信息、并提供手機(jī)端與PC端的數(shù)據(jù)端口，且具有高可靠性、高吞吐量、高穩(wěn)定性、高安全性的特點(diǎn)。基于云服務(wù)技術(shù)的軟件系統(tǒng)分為3層，分別為：基于云服務(wù)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層用于接收從數(shù)據(jù)采集層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，并為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)接口。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層基于Spring Cloud框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)整合Spring Security為用戶提供穩(wěn)定而又安全的Web應(yīng)用服務(wù)。Spring Cloud是一套基于Spring Boot構(gòu)建的通用工具集。微服務(wù)是軟件開(kāi)發(fā)發(fā)展的新趨勢(shì)，采用去中心化思想，服務(wù)獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)去耦合，開(kāi)發(fā)維護(hù)簡(jiǎn)單，而且容易和第三方軟件集成。Spring Security是基于Servlet過(guò)濾器的安全框架，在系統(tǒng)中用來(lái)處理登錄時(shí)候的身份確認(rèn)和權(quán)限認(rèn)證。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層以MySQL作為主存儲(chǔ)器，Redis作為輔助存儲(chǔ)器，F(xiàn)astDFS負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的文件。MySQL是基于磁盤讀寫的，速度沒(méi)有Redis快，但是容量不受限制。Redis是使用ANSI C編寫的，基于內(nèi)存讀寫，響應(yīng)速度非?？?，而且操作都是原子的，它是目前最為流行的NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。FastDFS充分考慮了負(fù)載均衡、冗余備份等機(jī)制，是一個(gè)輕量級(jí)分布式文件系統(tǒng)，提供文件上傳、下載等服務(wù)。

應(yīng)用層包括手機(jī)APP、微信小程序、電腦瀏覽器和數(shù)據(jù)大屏展示。應(yīng)用層開(kāi)發(fā)主要用的技術(shù)有HTML、CSS、JavaScript、Vue框架和Element-UI組件。Vue是目前比較流行的輕量級(jí)前端開(kāi)發(fā)框架，它的特點(diǎn)是易用、靈活、高效，配合Element-UI組件，可以快速的搭建出一個(gè)前端項(xiàng)目，而且界面整潔美觀操作友好，后期維護(hù)也比較容易。

負(fù)載均衡是為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的大量增長(zhǎng)和高并發(fā)訪問(wèn)的，基于云服務(wù)技術(shù)的微服務(wù)需要負(fù)載均衡，用來(lái)處理巨大的工作負(fù)荷，提高資源的利用率。負(fù)載均衡能夠?qū)⒐ぷ髫?fù)載均衡地分布到多個(gè)服務(wù)器，以便提高系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)或其他服務(wù)的可靠性、安全性、響應(yīng)速度等。

（二）軟件系統(tǒng)功能

軟件系統(tǒng)用戶角色包括：系統(tǒng)管理員、風(fēng)險(xiǎn)管理員、安全管理員。系統(tǒng)管理員管理系統(tǒng)中的用戶信息、設(shè)備信息、字典等，還可以查看當(dāng)前部署服務(wù)的機(jī)器的CPU、內(nèi)存、JVM和存儲(chǔ)等相關(guān)信息，可以對(duì)部署機(jī)器的健康狀況做到良好的監(jiān)控;風(fēng)險(xiǎn)管理員主要職能是對(duì)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并指定行之有效的風(fēng)險(xiǎn)控制策略等;安全管理員負(fù)責(zé)自己所管轄的區(qū)域的安全生產(chǎn)情況，如有異常，需要及時(shí)了解情況并進(jìn)行排查和上報(bào)。

軟件系統(tǒng)模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、氣體檢測(cè)設(shè)備管理模塊、預(yù)警記錄管理模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊、手機(jī)微信消息推送模塊、用戶管理模塊、生產(chǎn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)模塊等。

1.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊：可以顯示選中區(qū)域的各個(gè)檢測(cè)設(shè)備采集到不同氣體的數(shù)據(jù)。顯示的數(shù)據(jù)包括：氣體名稱、采集時(shí)間、氣體濃度、設(shè)備所處位置、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱等。用顏色表示當(dāng)前設(shè)備所處狀態(tài)?；疑硎井?dāng)前設(shè)備處于離線狀態(tài);綠色表示該設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)沒(méi)有超過(guò)安全閾值，處于安全狀態(tài);黃色和紅色表示數(shù)據(jù)超過(guò)黃色（警告）和紅色（危險(xiǎn)）報(bào)警閾值，會(huì)給該設(shè)備的安全管理者發(fā)送預(yù)警信息，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)安全風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)。

2.氣體檢測(cè)設(shè)備管理模塊：管理檢測(cè)設(shè)備的設(shè)備代碼、設(shè)備名稱、測(cè)試氣體類型、設(shè)備的采集地址及所在的區(qū)域、設(shè)備所屬的安全管理員、設(shè)備檢測(cè)正常值范圍、設(shè)備檢測(cè)預(yù)警值范圍、設(shè)備檢測(cè)報(bào)警值范圍等。設(shè)備檢測(cè)預(yù)警值范圍的設(shè)置是根據(jù)企業(yè)歷史預(yù)警數(shù)據(jù)與企業(yè)事故發(fā)生可接受程度來(lái)確定的。

3.預(yù)警記錄模塊：預(yù)警記錄模塊主要是記錄從氣體濃度超過(guò)預(yù)警范圍到回歸正常的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間值用于計(jì)算危險(xiǎn)處理KPI。該模塊還具備查詢選中區(qū)域的各個(gè)設(shè)備在指定時(shí)間內(nèi)的預(yù)警信息，顯示的數(shù)據(jù)包括：設(shè)備名稱、檢測(cè)的氣體類型、檢測(cè)到的氣體濃度、設(shè)備所屬的安全管理員、預(yù)警的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)成Excel文件。

4.歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊：可以查詢氣體采集的歷史數(shù)據(jù)，及對(duì)指定設(shè)備和指定時(shí)間段的氣體檢測(cè)設(shè)備收集到的實(shí)時(shí)氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)畫出時(shí)間與氣體濃度的折線圖，畫出指定時(shí)間內(nèi)氣體濃度在正常范圍、黃色預(yù)警范圍、紅色預(yù)警范圍占比的餅圖，統(tǒng)計(jì)氣體濃度超黃色預(yù)警值和紅色預(yù)警值的時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)，數(shù)值化表示企業(yè)生產(chǎn)安全狀態(tài)，以便管理者排查安全隱患，有針對(duì)性性的采取預(yù)防措施。

5.手機(jī)微信消息推送模塊：給檢測(cè)設(shè)備的管理者定時(shí)發(fā)送設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常也會(huì)及時(shí)推送。推送的信息包括：推送時(shí)間、設(shè)備名稱、設(shè)備是否正常運(yùn)行、氣體類型及氣體濃度（超過(guò)黃色預(yù)警值信息字體為黃色，超過(guò)紅色預(yù)警值信息字體為紅色）、該氣體的黃色預(yù)警值和紅色預(yù)警值、該設(shè)備的報(bào)警次數(shù)、上次報(bào)警時(shí)間。

6.生產(chǎn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)模塊：該模塊記錄所有的生產(chǎn)設(shè)備的出廠時(shí)間、使用壽命、設(shè)備周圍的氣體濃度變化趨勢(shì)等信息，并對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，避免因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備的老化和損壞造成的氣體泄漏引起安全生產(chǎn)事故。生產(chǎn)設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)：設(shè)備老化程度=[使用壽命-（當(dāng)前時(shí)間-出產(chǎn)時(shí)間）]/使用壽命、設(shè)備周邊氣體濃度的微變化趨勢(shì)等。如果判斷出生產(chǎn)設(shè)備存在隱患，會(huì)立刻推送信息給設(shè)備對(duì)應(yīng)的安全管理員，提示生產(chǎn)設(shè)備存在安全隱患需要維修或更換。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)等搭建了有害氣體監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。利用有害氣體的特點(diǎn)使用基于紅外吸收和電化學(xué)原理的檢測(cè)傳感器，可以精確檢測(cè)出有害氣體濃度;利用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)平臺(tái)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)，軟件系統(tǒng)應(yīng)用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技術(shù)完成開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)已投入使用，效果良好。【基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的智能安全生產(chǎn)預(yù)警系統(tǒng)研究（JT180480）】

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