基于云服務技術的有害氣體監測及自動報警系統

吳敏敏

【摘? ? 要】本文設計并實現了一種基于云服務技術的有害氣體監測及自動報警系統。通過固定的氣體探測器對重要生產環境、關鍵部位環境數據進行采集，由4G DTU和控制器實時對數據進行處理，計算、分析，判斷是否要打開對應范圍排氣系統以及自動封鎖相關氣體源頭，并通過4G網絡將數據上傳云服務器，預防危險事故的發生，降低工傷、工亡的發生幾率。最后應用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技術完成軟件系統的開發，完成的系統已取得了良好的應用效果。

【關鍵詞】云服務技術? 有害氣體? 自動報警

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.22.004

工業生產部門在生產過程中，如果不對產生的濃度超過國家規定標準有害氣體進行處理直接排放到大氣中，就會影響作業者的安全與健康，也會對周邊的環境造成污染。如果企業生產過程中出現有害氣體泄漏沒有及時發現處理，甚至會嚴重威脅作業人員的生命安全。比如食品生產中產生的二氧化碳，該氣體無色無味，但只要達到一定的濃度，直接危及作業人員生命，所以當監測到區域該氣體濃度達到一定值時，要及時開放逃生通道，增加氣體的循環排出，以增加工作人員的生存幾率。《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》（國發[2010]23號）提出企業要建立完善的安全預警機制，出現事故征兆時要及時發出預警信息，避免重特大安全事故的發生。

近年來，隨著物聯網技術和云服務技術在工業互聯網領域應用的不斷發展，特別是有害氣體檢測裝置和無線網絡通信、人工智能、大數據的不斷成熟，為有害氣體監測及自動報警系統提供了新的解決方案。自動報警系統能夠將企業的生產安全管理從事故發生后采取應急措施的管理模式轉變為事前對安全生產隱患進行監控、預防安全事故的發生為主的管理模式。根據采集的數據進行分析，對可能發生的安全事故進行預報，最大限度地降低發生事故的可能性以及后果的嚴重程度。

一、硬件系統設計

系統通過固定的氣體探測器采集關鍵部位的環境數據，通過4G DTU和控制器將串口數據轉換成IP數據并對數據進行處理、分析，利用4G網絡傳輸給云服務器，最終通過Internet網絡傳輸給客戶端，管理者可以通過電腦、LED顯示屏、手機APP對數據進行實時監控。如果發現異常由本地控制單元及時反向控制本地風險控制系統和報警系統，對危險情況進行處理和報警，同時云端服務器也會通過微信將報警信息推送給管理者。在生產現場安裝監控設備，并把監控視頻實時傳輸到云端，管理者可以通過電腦、LED顯示屏、手機實時查看生產現場情況。

1.系統中的氣體探測器采用美國MSA公司的Ultima-X氣體探測器，該探測器可以檢測可燃氣體和有害氣體，檢測原理是利用紅外吸收檢測可燃氣體，利用電化學檢測有毒氣體。探測器的外殼是不銹鋼，有防爆功能，且具有檢測精度高、響應快，高可靠性、穩定性，高濃度可燃氣體沖擊下也不會靈敏度下降等優點。

2.系統中的4G DTU是能夠將串口數據轉換為IP數據或IP數據轉換為串口數據的通信終端設備。傳感器串口原始數據通過RS485/232傳輸到DTU轉4G網絡。4G DTU支持TCP/UDP/HTTP/MQTT多種網絡協議服務器，支持自定義登錄包/心跳包，防止網絡斷線或死鏈接，保障設備持續在線。

3.本地控制器：能夠對采集到的數據進行實時處理、分析，并能夠根據采集到的數據判斷是否要啟動本地的風險控制系統和報警系統。同時因為本地控制器能夠進行簡單的數據處理，進而減少從硬件系統傳輸到云端服務器的數據流量，減少流量壓力。

4.風險控制系統能夠控制排氣系統和運行閥門等。

5.氣體濃度報警器，當報警器檢測到環境中的有害氣體濃度達到設置的臨界點時，就會發出報警信號。由于高度不同，氣體的濃度就不同，目前市場上常見的氣體濃度報警器存在因為沒有辦法遠程操控報警器的高度而無法保證檢測數據的精確度的問題。本系統中使用的氣體濃度報警器，將報警器主體安裝在支撐架上，支撐架上設有用于控制上升和下降的高度調節設備，調節設備包括：螺紋桿、螺紋座、驅動電機、滑塊、滑槽、抵觸桿、行程開關等。通過操縱驅動電機控制螺紋桿進行往復性垂直運動，從而達到對報警器的高度進行調整的目的，實現對不同高度的氣體濃度進行檢測，保證檢測數據的精確度。

6.防爆保護監控設備，系統安裝具有防爆保護、紅外夜視、防水功能的監控設備，保證管理者可以隨時隨地遠程查看生產現場情況。目前常用的監控設備都是固定裝置，監控設備監控范圍有限，這樣就會出現無論把監控安裝在任何方位，監控死角都難以避免的情況。本系統中使用的防爆保護監控設備，通過在所需監控的區域頂部鋪設多個可以形成循環閉路的滑軌，利用調速電機和移動輪的傳動，使得監控設備能夠在滑軌上移動，并利用調節齒條和調節齒輪之間的傳動，調整探頭的角度，實現對監控區域全方位的監控，從而避免監控死角的出現。

經過實際測試，系統在高溫、甚至雨雪等惡劣環境下，仍能夠長期穩定地運行，采集的數據精確可靠。系統能夠探測的氣體包括氨氣、二氧化碳、一氧化碳、磷化氫、氫氣、沼氣、天然氣、氮氣等，響應速度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，各項指標均已達到工業標準。系統可用于化工廠、實驗室、污水處理站、倉庫等有害氣體監測及自動報警。

二、基于云服務技術的軟件系統

（一）軟件系統結構

云服務器用于存儲數據，分析數據，推送微信報警信息、并提供手機端與PC端的數據端口，且具有高可靠性、高吞吐量、高穩定性、高安全性的特點。基于云服務技術的軟件系統分為3層，分別為：基于云服務技術的網絡服務層、數據存儲層、應用層。

網絡服務層用于接收從數據采集層傳輸過來的數據，處理后存儲到數據存儲層，并為應用層提供數據接口。網絡服務層基于Spring Cloud框架進行開發，同時整合Spring Security為用戶提供穩定而又安全的Web應用服務。Spring Cloud是一套基于Spring Boot構建的通用工具集。微服務是軟件開發發展的新趨勢，采用去中心化思想，服務獨立，實現去耦合，開發維護簡單，而且容易和第三方軟件集成。Spring Security是基于Servlet過濾器的安全框架，在系統中用來處理登錄時候的身份確認和權限認證。

數據存儲層用于存儲網絡服務層處理后的數據。數據存儲層以MySQL作為主存儲器，Redis作為輔助存儲器，FastDFS負責存儲系統中的文件。MySQL是基于磁盤讀寫的，速度沒有Redis快，但是容量不受限制。Redis是使用ANSI C編寫的，基于內存讀寫，響應速度非常快，而且操作都是原子的，它是目前最為流行的NoSQL數據庫。FastDFS充分考慮了負載均衡、冗余備份等機制，是一個輕量級分布式文件系統，提供文件上傳、下載等服務。

應用層包括手機APP、微信小程序、電腦瀏覽器和數據大屏展示。應用層開發主要用的技術有HTML、CSS、JavaScript、Vue框架和Element-UI組件。Vue是目前比較流行的輕量級前端開發框架，它的特點是易用、靈活、高效，配合Element-UI組件，可以快速的搭建出一個前端項目，而且界面整潔美觀操作友好，后期維護也比較容易。

負載均衡是為了應對數據的大量增長和高并發訪問的，基于云服務技術的微服務需要負載均衡，用來處理巨大的工作負荷，提高資源的利用率。負載均衡能夠將工作負載均衡地分布到多個服務器，以便提高系統、數據庫或其他服務的可靠性、安全性、響應速度等。

（二）軟件系統功能

軟件系統用戶角色包括：系統管理員、風險管理員、安全管理員。系統管理員管理系統中的用戶信息、設備信息、字典等，還可以查看當前部署服務的機器的CPU、內存、JVM和存儲等相關信息，可以對部署機器的健康狀況做到良好的監控;風險管理員主要職能是對生產風險進行分析并指定行之有效的風險控制策略等;安全管理員負責自己所管轄的區域的安全生產情況，如有異常，需要及時了解情況并進行排查和上報。

軟件系統模塊包括實時數據顯示模塊、氣體檢測設備管理模塊、預警記錄管理模塊、歷史數據查詢和分析模塊、手機微信消息推送模塊、用戶管理模塊、生產設備風險監測模塊等。

1.實時數據顯示模塊：可以顯示選中區域的各個檢測設備采集到不同氣體的數據。顯示的數據包括：氣體名稱、采集時間、氣體濃度、設備所處位置、設備編號、設備名稱等。用顏色表示當前設備所處狀態。灰色表示當前設備處于離線狀態;綠色表示該設備采集到的數據沒有超過安全閾值，處于安全狀態;黃色和紅色表示數據超過黃色（警告）和紅色（危險）報警閾值，會給該設備的安全管理者發送預警信息，同時會啟動安全風險控制系統。

2.氣體檢測設備管理模塊：管理檢測設備的設備代碼、設備名稱、測試氣體類型、設備的采集地址及所在的區域、設備所屬的安全管理員、設備檢測正常值范圍、設備檢測預警值范圍、設備檢測報警值范圍等。設備檢測預警值范圍的設置是根據企業歷史預警數據與企業事故發生可接受程度來確定的。

3.預警記錄模塊：預警記錄模塊主要是記錄從氣體濃度超過預警范圍到回歸正常的時間，這個時間值用于計算危險處理KPI。該模塊還具備查詢選中區域的各個設備在指定時間內的預警信息，顯示的數據包括：設備名稱、檢測的氣體類型、檢測到的氣體濃度、設備所屬的安全管理員、預警的起始時間和結束時間，數據也可以導成Excel文件。

4.歷史數據查詢和分析模塊：可以查詢氣體采集的歷史數據，及對指定設備和指定時間段的氣體檢測設備收集到的實時氣體數據進行統計分析。根據統計的數據畫出時間與氣體濃度的折線圖，畫出指定時間內氣體濃度在正常范圍、黃色預警范圍、紅色預警范圍占比的餅圖，統計氣體濃度超黃色預警值和紅色預警值的時長。通過數據分析、計算、統計，數值化表示企業生產安全狀態，以便管理者排查安全隱患，有針對性性的采取預防措施。

5.手機微信消息推送模塊：給檢測設備的管理者定時發送設備采集到的數據，如果數據異常也會及時推送。推送的信息包括：推送時間、設備名稱、設備是否正常運行、氣體類型及氣體濃度（超過黃色預警值信息字體為黃色，超過紅色預警值信息字體為紅色）、該氣體的黃色預警值和紅色預警值、該設備的報警次數、上次報警時間。

6.生產設備風險監測模塊：該模塊記錄所有的生產設備的出廠時間、使用壽命、設備周圍的氣體濃度變化趨勢等信息，并對生產設備的安全風險進行評估，避免因為生產設備的老化和損壞造成的氣體泄漏引起安全生產事故。生產設備安全風險評估依據：設備老化程度=[使用壽命-（當前時間-出產時間）]/使用壽命、設備周邊氣體濃度的微變化趨勢等。如果判斷出生產設備存在隱患，會立刻推送信息給設備對應的安全管理員，提示生產設備存在安全隱患需要維修或更換。

三、結束語

本文采用物聯網技術、無線通信技術、云服務技術等搭建了有害氣體監測及自動報警系統。利用有害氣體的特點使用基于紅外吸收和電化學原理的檢測傳感器，可以精確檢測出有害氣體濃度;利用4G無線網絡將數據傳輸到云服務平臺進行處理、分析、存儲，軟件系統應用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技術完成開發。系統實現對有害氣體的監測和自動報警，系統已投入使用，效果良好。【基金項目：福建省中青年教師教育科研項目：基于物聯網和大數據的智能安全生產預警系統研究（JT180480）】

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