給排水構筑物有限空間有害氣體監測報警系統設計與實現

摘"要：本文聚焦于給排水構筑物內有害氣體監測問題，深入探討有害氣體監測報警系統的設計與實現。綜述了給排水構筑物的重要性、有限空間作業風險及現狀，設計了系統技術方案，基于FM33A0610EV、AD采集芯片MCP3424TE和4G通信模塊EC800E設計了數據信號采集處理硬件系統，并設計編寫了嵌入式軟件系統。采用RuoYiVue框架搭建了服務器監控中心平臺，實現了給排水構筑物有限空間有害氣體監測報警系統。該系統為確保鐵路運營安全、保障職工健康提供了有效解決方案，為智慧化氣體監測技術在相關領域的應用提供了參考。

關鍵詞：給排水構筑物；有害氣體監測；有限空間；智能預警系統；氣體傳感器

有限空間作業在市政工程、工業生產等眾多領域廣泛存在，其作業環境復雜且特殊，安全風險極高，不僅對作業人員的生命安全構成直接威脅，也給企業的正常生產運營帶來巨大挑戰。給排水構筑物作為基礎設施的重要組成部分，其安全運行對于保障鐵路運營及職工安全健康具有關鍵意義。然而，這類構筑物的特殊環境容易積聚有害氣體，帶來安全隱患，所以加強有限空間作業安全管理與風險控制刻不容緩。

鞏泉泉等學者［1］通過深入分析了有限空間作業中毒、缺氧窒息事故的危險因素，指出有限空間職業危害的防范需要全方位改善，尤其應注重安全管理制度的完善與執行。高熊［2］深入探討了地下綜合管廊有限空間安全管理及應急處置措施。其研究成果表明，通過建立健全有限空間巡查制度、嚴格落實安全相關要求、完善應急管理體系等措施，能夠有效保障有限空間作業的安全。徐繼強［3］著重研究了地下有限空間作業時機械通風的設置，得出合理的機械通風設置能夠有效降低作業人員的作業風險。程程等學者［4］對有限空間安全監管方面的創新舉措進行了報道，提高了有限空間作業安全管理水平，有效地防范了有限空間作業事故的發生。李夢佳等學者［5］基于國內外現行標準規范并結合企業調研，深入探討了有限空間作業安全相關概念在實際應用中存在的問題。宋曉燕等學者［6］運用模糊層次分析法創建了電力基坑施工作業前、作業中的風險評估模型，并在作業后進行風險評估反饋。研究結果顯示，基坑內的危險氣體體積分數是作業風險的主要影響因素，控制基坑內的危險氣體體積分數成為保障電力基坑內部作業安全的關鍵措施。李衛華等學者［7］利用AHP法確定了有限空間作業過程中各指標的權重，并采用綜合指數法計算綜合指數進行排序。研究表明，違章操作、氣體檢測、作業點事前處置、監護、風險分析及預案、工具清點、通風、作業方案和交底等是降低有限空間作業風險的重點參考項。楊瀚波［8］研究開發了一項施工智能安全監管系統，以應對有限空間場景下的施工安全監測管控需求，實現了對有限空間作業的自動化分析、預判和預警，并根據設定的閾值判斷環境風險，同時運用灰色關聯度模型提高報警分析的預見性和準確度。李頎林等學者［9］介紹了PGM6208型復合式氣體檢測儀的用途、原理、驗證與校正方法，以及常見故障的維護措施，同時，針對進水或進油、探頭關閉、讀數負漂移、泵堵塞等常見故障，提供了相應的處理方法，為保障有限空間作業氣體檢測的準確性提供了技術支持。楊鴻珍等學者［10］設計了一種電網有限空間作業可穿戴環境監測及報警系統，該系統可有效保障作業人員生命安全，提升電網作業安全風險管控水平。岳亮［11］對高風險有限空間施工作業中的安全控制技術與施工風險監測技術進行了深入研究，同時闡述了有限空間內環境監測、施工作業實時監測和事故預警與報警等監測技術的重要性與方法，為提高施工作業安全性提供了全面的解決方案。

基于上述情況，本設計提出了一種有限空間有害氣體監測報警系統，利用先進的氣體傳感器來檢測一氧化碳、硫化氫等有害氣體。系統具備高精度數據采集模塊，能及時處理傳感器信號，一旦有害氣體濃度達到危險值，系統會立刻發出警報，保障人員在有限空間作業時的安全。

1"系統設計

1.1"服務器監控中心平臺

從有限空間有害氣體監測報警角度出發，在新時期，需要滿足實時動態監測的要求，以此提升從數據采集、存儲、傳輸到分析以及生成報告等各個環節的數據處理效率。本研究依據這一需求，提出了服務器監控中心平臺這一方案。

服務器系統開發中，采用RuoYiVue框架。服務器內置多個模塊，如部門管理、角色用戶、菜單及按鈕授權、數據權限、系統參數、日志管理和代碼生成模塊。同時，支持在線定時任務配置、集群部署、多數據源和分布式事務。

在APP設計方面，充分考慮用戶體驗和操作便捷性。系統界面設計簡潔直觀，具有高度的友好性。在此系統中，用戶可以快速獲取關鍵信息，如實時顯示的現場氣體報警器的報警數據，包括氣體種類、濃度值、報警時間等詳細信息。同時，APP具備易于維護的特點，采用模塊化設計理念，方便后續功能擴展和升級。在使用成本上，優化數據傳輸和處理算法，減少不必要的流量消耗和設備資源占用，確保用戶能夠以較低的成本使用該APP實現對監測系統的遠程監控和管理。

用戶可通過瀏覽器或在移動端掃描登錄頁上的二維碼登錄平臺。登錄后可在設備總覽查看設備數量及狀態（通過動態環形圖展示，不同顏色代表不同狀態），能通過下拉菜單、設備名或IMEI號搜索設備，右擊地圖上的設備可看詳細信息；在產品中心可創建產品（填相關信息并選通信協議）、搜索產品，產品實例界面有產品相關信息，點擊眼睛圖標進入監控大屏（可投屏，含多種分析內容），創建產品后可添加設備（填設備詳細信息）、查找/修改/刪除設備、導入導出設備信息（導出為Excel表，導入需按模板填），可查看設備詳細信息、設備狀態曲線，上傳設備現場圖，設置設備參數閾值；在設備管理中可通過產品或設備相關信息搜索管理設備；報警管理中可處理設備報警信息（處理后工單管理界面生成工單）、導入導出報警信息（導出為Excel表），設備報警平臺會彈出提示（含閾值、地址，有語音提示）；工單管理中工作人員根據報警結果排查設備后，點擊巡檢填處理結果（可作廢工單）；報警電話管理可填運維人員電話（可批量導入修改，增值服務需付費）；設備日志可通過IMEI號或推送類別查詢；短信分配可新增用戶短信分配并設置條數，可搜索；推送消息可根據多種條件給用戶推送報警消息；可在物聯卡界面查看設備卡信息；升級管理可單個或批量升級設備（單個輸IMEI號，批量需下載模板填設備信息導入）；系統管理可在用戶管理添加賬號、角色管理新增/修改/導出角色、部門管理為新增部門添加賬號密碼。

1.2"硬件設計

在智能氣體監測終端的硬件電路構建中，本系統選用FM33A0610EV作為主控芯片，該芯片基于ARM"CortexM0內核構建微控制器架構，其內部集成512KB嵌入式閃存與80KB"SRAM，功耗低。該芯片具備豐富的外設接口，集成32bit低功耗定時器以及LCD段碼控制器等功能模塊，其獨立看門狗功能在上電時可自動啟動運行，在開發流程中，能夠獲取IAR配置文件以實現相關參數的精準設置。AD采集芯片采用高精度模數轉換芯片MCP3424TE，具有18位分辨率和3.75kSPS的采樣率，支持I2C接口，搭配可編程增益放大器和內部參考電壓等功能，具備每秒3.75、15、60或240個樣本的速率輸出模擬到數字的轉換結果，采用TSSOP14封裝形式。4G通信模塊選用上海移遠EC800E，支持最大下行速率10Mbps和最大上行速率5Mbps，頻段涵蓋LTEFDDB1/B3/B5/B8及LTETDD"B34/B38/B39/B40/B41等，采用鐳雕工藝，具備優異散熱效能，信息不易抹除，其內置多種網絡協議，集成多個工業標準接口，支持多種驅動和軟件功能。

硬件設計是整個監測系統的基礎，其關鍵在于合理選擇和搭配各類硬件組件，并設計相應電路，以構建穩定高效的硬件平臺。其中傳感器的選擇至關重要，本系統選用電化學傳感器是因其對有害氣體的高靈敏度和穩定性，所以被用于硫化氫、一氧化碳等有害氣體的檢測，氧氣傳感器同樣選用電化學原理的傳感器，可燃氣體傳感器則采用催化傳感器，以此確保能夠精準獲取各類氣體的濃度信息。傳感器相關參數如表1、表2、表3所示。

在硬件系統中，還包含信號處理系統和氣體報警系統。

1.2.1"信號處理系統

信號處理環節的主要目標是將傳感器輸出的模擬信號轉換為單片機能夠有效處理的數字信號，通過一系列處理確保數據的準確性。在此基礎上，對系統設計了信號調制電路。該電路對傳感器采集到的微弱模擬信號進行轉換，使其符合單片機的數字信號輸入要求。在轉換完成后，進一步采用濾波算法對數字信號進行處理，有效去除信號中的噪聲干擾，提高信號的純凈度。隨后進行計算處理，通過復雜的數學模型和算法對濾波后的信號進行分析，將其轉化為能夠準確表征氣體濃度的數值，從而為后續的判斷和決策提供可靠的數據基礎。信號處理電路原理圖如圖1所示。

1.2.2"氣體報警系統

氣體報警系統構建了聲光報警和繼電器控制電路。當有害氣體濃度超過預設閾值時，該電路立即觸發報警動作。聲光報警部分通過發出強烈的聲光信號。繼電器控制電路則能夠根據預設邏輯控制外接設備，或者切斷相關電源以防止潛在的爆炸風險。同時，系統利用4G模塊將包含氣體濃度、設備狀態等關鍵信息的數據實時發送至服務器，確保監控中心能夠及時獲取現場情況。在此系統中，為滿足不同應用場景的多樣化需求，系統提供用戶設置功能。用戶可以通過手機APP或電腦客戶端，設定報警閾值，服務器會將這些閾值信息下發至設備端，并存儲在單片機內部。

在電路模塊設計方面，電源電路為整個系統提供電力供應，時鐘電路為系統運行提供時間基準，采集電路負責收集傳感器數據，通信電路保障數據的傳輸，復位電路則確保系統在異常情況下能夠初始化并正常啟動。電源電路如圖2所示。

原理圖設計需要考慮信號完整性、電源完整性和電磁兼容性等因素，并優化各電路模塊布局與布線。合理規劃芯片間連接關系及信號線路的走向，其中，主控芯片電路圖如圖3所示。

從圖3中可以清晰地看到各芯片之間的連接關系以及電路模塊的布局結構，如各個芯片之間通過特定的接口和信號線進行數據傳輸與通信控制，確保硬件系統從設計到實現的順利過渡，保證整個智能氣體監測系統的穩定可靠運行。

電路板設計選用2層電路板，電路布局嚴格執行信號與電源分離原則，有效規避信號干擾。高頻信號采用包地設計，增強其穩定性。電源走線寬度適宜，既保證供電穩定，又利于散熱。同時，地線保持完整無分割，降低接地阻抗，減少干擾。其中，電路板設計圖如圖4、圖5所示。

1.3"嵌入式軟件設計

在嵌入式初始化程序軟件設計中，氣體傳感器初始化是系統啟動的關鍵一步，需精準配置各類氣體傳感器，確保能準確感知氣體濃度的變化。LCD顯示模塊初始化負責設置顯示屏參數，為用戶提供清晰直觀的人機交互界面，展示系統狀態和氣體濃度數據。聯網模塊初始化針對4G通信模組進行參數設定和網絡連接準備，確保數據可實時上傳至服務器，實現遠程監控。

運行時，氣體數據采集顯示功能持續獲取并處理傳感器數據，將其轉換為可讀格式后實時顯示，方便用戶掌握現場情況。信息上傳功能按預訂協議將數據和設備狀態上傳服務器，進行數據后續分析。設備休眠功能依預設條件智能控制設備進入低功耗模式，節能并延長續航。報警閾值判斷功能實時對比氣體濃度與用戶設定閾值，超標時立即觸發報警，保障安全。軟件系統實現整個系統的核心功能，初始化程序在系統啟動時完成各項參數的設置和硬件的初始化工作，為系統正常運行做好準備。數據采集和處理程序負責實時讀取傳感器數據，并進行濾波、計算等處理，確保數據的準確性和可靠性。實時監測系統運行狀態，一旦發現系統出現異常或死機情況，立即觸發復位操作，使系統重新恢復正常運行，從而保障系統能夠實時采集處理數據。其系統框架設計決定了軟件系統的整體架構和運行流程，為后續的編程實現提供了藍圖。軟件系統框架設計圖如圖6所示。

1.4"防爆外殼設計

鑒于系統應用環境的特殊性，需要在易燃易爆氣體的給排水構筑物中使用，防爆外殼設計成為確保系統安全運行的關鍵因素。外殼制作材料必須嚴格符合國家規定的標準，本系統采用防爆合金材料或者不銹鋼材料。這些材料具備優異的化學穩定性，能夠抵抗各種化學物質的侵蝕，防止外殼因化學反應而損壞，進而影響系統的防護性能。同時，材料的防火性能也是必不可少的，在發生火災或爆炸時，能夠阻止火焰蔓延，降低事故風險。

此外，外殼設計需充分考慮設備所在環境的溫濕度和防水要求。防水設計能夠防止水分進入外殼內部，避免因短路等問題導致系統故障。滿足溫濕度要求，確保系統在不同環境條件下的正常運行，避免因溫度過高或濕度過大而影響硬件性能或導致電子元件損壞。通過精心設計的防爆外殼，系統能夠在危險環境中安全可靠地運行，為監測工作提供有力保障，整機樣式圖如圖7所示。

1.5"電池選型

由于本項目設備安裝的地下管廊是無法進行常供電的場所，電池選型成為影響系統持續運行的關鍵因素。本設計選用了3.6V鋰亞電池為設備供電。鋰亞電池具有高能量密度的特點，這種電池的自放電率極低，減少了頻繁更換電池的麻煩，降低了維護成本。鋰亞電池還具有良好的溫度適應性，能夠在較寬的溫度范圍內正常工作，適用于地下管廊等環境溫度變化較大的場所。在實際應用中，鋰亞電池的長壽命和可靠性確保監測系統不會因電力供應問題而出現中斷，保證氣體監測工作的連續性，為及時發現和處理有害氣體泄漏等安全隱患提供了穩定條件。

2"整機測試

2.1"系統測試

在監測預警系統的設計與實現過程中，系統測試是不可或缺的重要環節。為確保系統各組件及整體性能的可靠性，利用專門的標氣箱進行全面測試。將系統整體置于標氣箱環境中，通過精確控制箱內標準氣體的濃度，模擬各種實際工況，對傳感器采集性能進行反復驗證。在此過程中，密切關注傳感器對不同濃度氣體的響應情況，包括響應速度、準確性和穩定性等指標。同時，對單片機的數據處理能力進行嚴格測試，檢查其在處理大量傳感器數據時的運算速度、數據準確性以及是否存在數據丟失或錯誤處理等問題。通過不斷調整系統參數、優化算法，反復進行測試，直至系統性能達到最優狀態。

2.2"實際場景測試

在完成系統測試后，進一步在實際應用場景中對系統進行全面驗證。選擇具有代表性的給排水構筑物場所，安裝監測設備并長時間運行系統。在實際場景測試過程中，重點觀察系統在復雜環境條件下的穩定性和準確性。收集大量實際運行數據，分析系統在不同天氣、不同時段、不同作業狀態下的監測結果，與實際氣體濃度情況進行對比，評估系統的性能表現。根據實際場景測試結果，對系統進行針對性的優化調整，如改進傳感器安裝位置、優化信號傳輸方式、調整報警閾值設置等，確保系統能夠在真實環境中穩定、可靠地運行，準確地監測有害氣體濃度，及時發出預警信息。

結語

本文基于FM33A0610EV主控芯片開發了給排水構筑物有限空間內氣體監測硬件，該硬件采用MCP3424TE作為AD采集芯片，使用EC800E"4G通信模塊作為上行通信模塊，并開發了嵌入式軟件，采用RuoYiVue框架搭建的服務器監控中心平臺，構建了一套完備且功能健全的監測報警系統體系。經測試表明該系統提升了鐵路運營安全系數，能夠保障職工健康，對于推動相關技術在給排水及類似領域的拓展應用具有參考意義。

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作者簡介：彭剛（1974—"），男，漢族，寧夏人，本科，正高級工程師，研究方向：鐵道電氣化；何亮（1992—"），男，漢族，寧夏人，本科，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化專業；裴明祥（1976—"），男，漢族，甘肅人，本科，工程師，研究方向：鐵路安全風險防控；郭銳（1979—"），男，漢族，山東人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：交通運輸專業；婁芳明（1980—"），男，漢族，寧夏人，本科，工程師，研究方向：計算機技術與科學。