基于LabVIEW的危化品倉庫的安全監測系統設計

趙云峰 張嘉琪

摘要：為了降低危化品倉庫人工工作方式存在的安全隱患，提高工作效率。通過LabVIEW平臺在電腦上進行程序的編寫，基于ZigBee無線通信技術、485串口通訊技術以及傳感器技術設計了一套軟件與硬件相結合的危化品倉庫的無線監測系統。經過多次實驗表明：ZigBee通信技術和485通訊協議可將倉庫內傳感器采集到的參數實時發送給計算機，再由計算機發送給云端LabVIEW客戶端，實現對倉庫的遠距離監測，加強了危化品倉庫的安全性。

關鍵詞：危化品倉庫;LabVIEW平臺;ZigBee通信技術;485串口通訊技術;傳感器技術

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0008-04

開放科學（資源服務）標識碼（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

隨著我國經濟的高速發展，危化品在人類的生活中的需求量及消耗量在逐年遞增，用以儲存危化品的倉庫在不斷增加。由于危化品自身具有易燃、易爆、有毒、有害及有腐蝕等特性[1-2]，導致其隨時都存在著危險性，主要表現在危化品的生產、運輸和儲存等多個方面[3]。其中由于倉庫內的危化品不僅在數量、種類、儲存時間等多個方面都大于其他的幾個方面，所以倉庫儲存存在很大的危險性[4]，為減少在儲存過程中發生事故的可能性，降低成本以及提高效率，智能化的倉儲管理應運而生[5]，并隨著科學技術的發展逐漸完善。

本系統基于虛擬儀器LabVIEW平臺將ZigBee技術與RS485串口通訊技術結合起來，通過軟件對倉庫內人員、危化品進行管理;利用傳感器對倉庫內信息進行采集并傳遞給計算機，計算機在通過MQTT協議將采集信息遠距離傳輸給云端的LabVIEW客戶端，達成對倉庫的多層監管;利用二維碼和指紋識別技術基本實現倉庫的無紙化管理。

2 無線監測的硬件設計

本系統基于ZigBee技術與485通訊技術相結合并配合不同位置節點的傳感器來對倉庫內的參數進行監測。主要的硬件設計為參數采集裝置及其電路圖的設計、指紋識別模塊的建立。

2.1 溫濕度參數采集裝置

當倉庫內當溫度（或者濕度、煙度等）過高時，容易使得倉庫內化學品發生質變，會對人的身體產生危害，故需要對倉庫的溫度進行檢測。圖1為倉庫內的溫度采集裝置的電路圖。

其中圖1-a中P1為ZigBee模塊、P5為傳感器。供電電源選用可充電式的12V的鋰電池，電源電壓經過如圖1-b所示降壓模塊將電壓降為5v后為ZigBee進行供電，實物圖如圖2所示。

參數傳輸流程為：不同節點的傳感器將采集到的參數通過ZigBee無線網絡打包上傳給計算機（計算機能夠通過自身的控制單元區分出傳感器的信息來自哪個位置節點），計算機處理后再通過MQTT協議將接收到的消息上傳到云端，此時，云端的LabVIEW客戶端也可以接收到傳感器采集到的參數信息。通過云端的監測為系統多提供一層保護屏障，大大加強系統監測的安全性。

2.2 氣體參數采集裝置

在危化品倉庫內，為防止化學品發生泄漏對人體造成傷害，還需要對倉庫內存在的氣體進行采集。其通訊技術與上面溫濕度采集的通訊技術類似，電路圖、實物圖分別如圖3、圖4所示。

氣體采集裝置需要考慮到倉庫內存在的無關的氣體對所需要采集氣體的參數造成的干擾，因此為確保采集到的氣體參數更加準確，在采集裝置側部安裝一個風扇如上圖4-b所示對氣體進行循環。由風扇轉動的開始或者停止帶動裝置周遭的氣體的流動，使得目標氣體可以穩定的流經傳感器，用以保證采集參數的真實性。

2.3 指紋采集模塊

當系統有藥品流動時，相對于傳統系統管理員的簽字方法，本系統利用Live 20R指紋采集器采用對比指紋的方法來實現倉庫的無紙化管理，更加保證本人親自操作的真實性。系統管理員事先根據本人的實名信息錄入自己的指紋，當藥品流動時，領用人錄入信息以及指紋后，只有系統管理員的指紋驗證成功才能進行確認操作，否則無法進行后續流程。

3 軟件設計

基于LabVIEW的危化品倉庫系統的軟件部分由虛擬儀器平臺LabVIEW進行編程，其主要實現的功能如下。

3.1 人員登錄模塊

此模塊主要根據人員的管理層次的不同對其開放的權限亦不同，系統軟件的登錄界面前面板如圖5所示。當普通用戶登錄時，對其開放的功能僅有監測情況維護、查看藥品信息;當系統管理員登錄時，其不但可以享有普通登錄人員的功能，還可以觀看每日藥品進出庫的信息（包括何人購進的藥品以及數量，還有何人借出的藥品及數量），還能對倉庫內設定的危化品報警閾值參數進行修改。當需要添加新的管理員時，還需要獨立的驗證密碼，才能對其進行確認。

當需要對現有賬號進行權限的變更或者添加新的賬號時，需點擊賬號管理，再進行操作。當填完人員信息執行到最后一步的確認工作時，還需要輸入特定的密碼才能最終完成錄入。

3.2 監測信息參數顯示與報警模塊

此模塊主要通過把事先在倉庫內排布好的傳感器采集到的參數通過485通訊協議傳輸至計算機，在計算機上的顯示參數面板圖如圖6所示，顯示方式可分為數字顯示以及X軸為時間、Y軸為采集參數值的更加直觀的XY圖形。傳感器采集到的參數可以通過軟件以天為單位進行保存，以便于可以觀看到倉庫一天內的各個參數的變化。保存方式分為以10s為一個單位的自動保存和人為操作的手動保存兩種。

圖7為自動保存功能程序框圖，圖8為查看歷史數據以及打開圖形顯示程序框圖。

參數設定界面以及編程圖如下圖9所示，參數采集方式分為實時采集，自動仿真以及手動仿真三種模式。不同類型傳感器采集到的參數類型不同，故需要分別對不同參數的閾值進行設定。當傳感器采集到的參數在設定的閾值范圍內時，系統處于正常情況，繼續進行工作;當采集到的參數值小于設定的參數下閾值（或者大于參數的上閾值）時，系統處于異常情況，此時就會觸發報警裝置——顯示屏閃爍、報警鈴聲響起。

3.3 藥品管理模塊

3.3.1 數據庫的建立

此模塊包含兩個數據庫：藥品庫以及流水庫。藥品庫內容為各個危化品的理化性質，應在軟件系統運作之前就建立好;流水庫主要的內容是對倉庫內危化品的進出庫進行記錄（包括何人何時購進或者歸還多少數量的藥品、何人何時借出的藥品和借出的藥品數量、由哪個工作人員執行的操作，藥品存放位置、藥品規格以及藥品的狀態）。為避免人為誤操作導致數據的不正常，將兩個數據庫的表格文件轉化為二進制文件直接存于LabVIEW根目錄中，這樣做的優點為文件無法直接打開，從而無法對其進行更改，但可以在軟件中顯示，保證了文件的準確性。

3.3.2 藥品管理模塊的功能

此模塊的功能依托于藥品庫和流水庫主要表現為藥品的查找以及出庫、進庫管理功能。

1）查找功能

查找功能主要是對藥品在倉庫內的信息進行查找。軟件界面如圖10所示，面板分為abcd四個板塊，操作人員在a板塊可根據藥品名稱、出入庫日期、領用人以及存放位置作為關鍵字進行搜索，然后分別在b、c、d板塊顯示已經外借的藥品和尚在庫內的藥品的信息表格、藥品存放的位置以及藥品的理化性質。

2）藥品進庫管理

進庫管理軟件界面圖如圖11所示。當有藥品入庫時，操作流程為：操作人員首先對藥品進行檢驗，判斷藥瓶外表包裝及其上面的標識是否完好，重量是否與實際相符，規格是多少;第二步根據本人實際信息填寫個人信息;第三步根據藥品庫內存在的藥品的信息進行搜索來選擇藥品信息，不能自行填寫;第四步點擊確認生成藥品二維碼（二維碼具有唯一性）;第五步確認二維碼與藥瓶的一致性，將二維碼粘貼至藥瓶表面;最后點擊確認存入數據庫（二維碼生成時，信息還沒有錄入數據庫）。

3）藥品出庫管理

藥品出庫界面圖如圖12所示。操作流程為：第一步對領用人的信息填寫;第二步確認掃描信息與藥品的一致性，掃描藥瓶上的二維碼;第三步則是對領用人及操作人員的指紋的錄入;最后確認出庫后，操作信息流入數據庫。

4 系統測試

此部分對監測系統的硬件及軟件功能進行測試。首先將硬件的參數采集裝置與軟件的監測信息參數顯示模塊與報警模塊結合起來進行測試，結果表現為當多個傳感器同時工作時，ZigBee技術在合理的范圍內的信息傳輸功能正常，傳輸速度較快，采集到的參數如圖13所示，可以在軟件上以數值或XY圖形顯示，每隔10s會自動保存，當采集到的數據大于（或小于）設置的參數閾值時，系統報警裝置啟動。然后將硬件的指紋采集模塊以及軟件的藥品管理和人員管理結合進行測試，結果表現為不同層次的人員登錄系統是開放的功能權限也不同，指紋對比的驗證成功率在95.8%左右，能夠查看倉庫內的藥品信息，可以對藥品的進出庫信息進行實時記錄。

5 結束語

本文基于LabVIEW將ZigBee技術與RS485串口通訊技術結合起來設計一個危化品倉庫的無線監測系統。可以連續穩定的對倉庫內的參數進行采集，并通過MQTT協議遠距離的發送至云端的LabVIEW客戶端，減少倉庫內人員的流動，降低危險隱患的程度，并與倉庫的報警裝置形成聯動，加強了倉庫的安全性。指紋識別技術使倉庫基本實現無紙化管理，保證了本人操作的真實性。然而本系統還存在需要改進的地方，如倉庫巡檢或取拿藥品時還需要人員親自實施，因此后續工作可以設計一個能夠自動巡檢的AGV導引小車并對其安裝機械手用于取放藥品，提高系統的自動化、智能化與無人化。

參考文獻：

[1] 趙建峰.危險化學品倉庫的安全管理策略研究[J].化工管理，2020（24）：78-79.

[2] 李晞，王曉兵，陳會明.危險化學品名錄研究[J].中國安全生產科學技術，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.危險化學品儲存裝卸環節存在的安全隱患及解決對策[J].石化技術，2020，27（8）：156，166.

[5] 李旭.智能化倉儲管理信息系統設計研究[J].現代工業經濟和信息化，2020，10（4）：31-32.

【通聯編輯：謝媛媛】