工業危害氣體泄漏安全監護系統設計探微

趙陽

摘 要：本文提出的工業維護氣體泄漏安全監護系統可以實時將生產現場工人所處位置、活動情況、周圍環境危害氣體濃度等信息匯集到數據服務器，監護人員及時了解現場工人所處環境的危害情況，根據危害程度不同給出預警，保障現場作業工人人身安全。

關鍵詞：危害氣體；泄漏；安全；監測系統

一、系統結構特點

該系統具有以下特點：1）可以檢測多種有毒有害氣體，例如H2S、CO、SO2、CH4、NOX等；2）采取GPS與RFID相結合的定位方式，定位精確；3）攜帶者安全狀態實時監護；4）支持短消息功能，方便現場作業人員安全監護預警；5）便攜式氣體檢測儀器符合安全防爆要求，可用于防爆1區；6）基于GPRS組網，擴展性好，易于部署，適合于大規模推廣應用。

二、個體安全檢測儀器設計

（一）硬件設計

為了達到工業應用要求，個體安全檢測儀器采用工業級微處理器STM32F103為核心，外接各功能模塊實現所有功能要求。危害氣體傳感器經過調理電路處理后輸出模擬信號給微處理器，實現氣體濃度檢測功能；精確定位采用GPS和RFID相結合的方式，石化生產裝置空曠區域采取GPS定位方式，生產裝置平臺或受限空間等區域（無GPS信號）采用RFID射頻卡定位方式，這兩個模塊通過兩個串口連接到微處理器；人體狀態通過三軸加速度傳感器監測實現，結合濃度和區域風險等級信息綜合判斷現場作業人員是否發生危害情況；GPRS模塊通過串口連接到微處理器，周期上傳檢測數據到服務器。為了達到儀器攜帶方便，操作簡單，采取硬件分塊布局方式，儀器包括3塊電路組成：人機接口電路、氣體檢測電路和主板電路。

（二）軟件設計

個體安全檢測儀器要求及時檢測環境危害氣體濃度、攜帶者活動狀態等，通過GPRS及時上傳數據到服務器，同時，集成了菜單操作、各種報警、實時時鐘等，集成功能多，數據處理復雜，合理的軟件結構是儀器穩定運行的基礎。μC/OS-II作為一種源代碼公開的嵌入式操作系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和擴展性強等特點，使用可剝奪型的內核，所有時間要求苛刻的事件都能得到快捷、有效處理。

首先，完成μC/OS-II實時內核在STM32F103硬件平臺上的移植，相關代碼包含在文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S中，重新定義與STM32F103相關的數據類型、宏、結構體、任務堆棧初始化和上下午切換函數；之后，完成儀器各功能模塊驅動程序開發，包括I/O口設置、電源管理、定時器設置、A/D轉換、危害氣體檢測數據處理、跌倒檢測模塊、GPS定位、液晶顯示、數據存儲、無線傳輸等；最后，完成了應用層程序開發，相關代碼包含在MEN-U.C、TASK_INIT.C和TASK_GUI.C三個文件中，將儀器各項功能分配在多個任務中實現，并且通過OS_CFG.H、HW_CFG.H和APP_CFH.H配置操作系統資源、硬件資源、任務內存和堆棧大小，保證系統儀器各項功能實現和軟件穩定運行。

（三）防爆設計

個體安全檢測儀器防爆設計時需要處理好以下幾點：1）危害氣體傳感器防爆；2）電池防爆；3）電路板防爆；4）便攜式儀器結構外殼。針對這些防爆關鍵點，分別采取了以下措施：1）選用國際大品牌氣體傳感器產品，本身已經達到了本質安全/隔爆要求；2）為了保證儀器足夠的續航時間，選用了大容量聚合物鋰電池，在防爆設計時設計了電池保護電路，并且與電池一起單獨封裝；3）其他電路設計時，避免采用大容量儲能元器件，例如大容量電容、電感等，電源充放電管理電路設計了阻塞電路，避免了短路、大電流等情況引起的防爆安全隱患；4）在儀器外殼設計時，數據存儲卡和GPRS通信卡完全密封在儀器外殼內部，通過一體化設計方式，僅留有危害氣體傳感器與大氣聯通窗口，不僅達到了防爆要求，而且符合相應的防護等級要求。通過以上防爆設計，整個儀器符合本質安全隔爆要求，達到了防爆1區使用的要求。

三、安全監護軟件設計

（一）技術架構

安全監護管理軟件用于保存個體安全檢測儀器上傳的數據，同時，給安全監護人員提供監護界面，監護現場作業人員位置、狀態、周圍環境危害氣體濃度等。系統采用B/S架構設計完成，B/S結構能實現不同的人員，從不同的地點，以不同的接入方式訪問和操作共同的數據庫，能有效地保護數據平臺和管理訪問權限，保障數據庫服務器的安全，特別是在JAVA這樣的跨平臺語言出現之后，B/S架構管理軟件更是方便、快捷、高效。基于J2E架構，采用MVC設計模式，應用業界最佳實踐的面向服務架構（SOA），最大程度保證整個系統的兼容性和開放性。

（二）監護管理功能

安全監護管理軟件主要功能有危害氣體種類維護、安全監護儀器維護、射頻卡信息維護、廠區信息維護、檢測數據展示、ArcGis圖形展示；報警信息實時推送、短消息推送等。危害氣體種類維護，包括物理特性、應急措施、報警設置等子項；安全監護儀器維護，包括儀器基本信息、攜帶人員、所處工作區域等子項；射頻卡信息維護，包括卡片編號、放置位置子項；檢測數據展示，可查看實時數據、歷史數據、廠區數據；ArcGis圖形展示，基于ArcGis地圖或者廠區平面圖實時跟蹤攜帶者位置，實時掌握區域內攜帶者狀態、環境危害氣體濃度分布。

四、實驗結果

（一）儀器功能測試

測試選用了一臺檢測H2S和CH4兩種危害氣體濃度的儀器，在實驗室開展了測試實驗。主要測試H2S濃度檢測、CH4濃度檢測、RFID讀卡、人機操作等功能。

（二）安全監護功能測試

測試選用了4臺能同時檢測H2S和CH4兩種危害氣體濃度的儀器，在某煉油廠生產裝置現場開展測試，由工人攜帶這些儀器開展現場工作作業，通過監測管理軟件監測現場作業人員的安全，測試無線數據傳輸、GPS定位、攜帶者跌倒檢測、報警、短消息提示等功能。

五、結論

針對石化工業生產過程中危害氣體泄漏，現場作業人員安全監護問題，提出了一種基于STM32F103和GPRS網絡的氣體泄漏安全監護系統，給出了系統結構、個體安全檢測儀器軟硬件設計、安全監護管理軟件設計，并且進行了儀器功能測試和安全監護功能測試。實驗結果表明：該系統危害氣體濃度檢測精度高、定位精確、無線傳輸范圍廣、實用性強、運行穩定，可應用于石化氣體個體安全防護、事故應急處置、危險場所作業安全監護等領域。

參考文獻：

[1]吳迪，黃潤風，柯燕燕，等.基于無線傳感器網絡的空氣污染實時監測系統[J].計算機測量與控制，2013，21（7）：1756-1758.

[2]馮省利.石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范的應用體會[J].石油化工自動化，2012，48（3）：16-20.