基于物聯網和傳感器技術的物資儲配運維檢測系統設計

摘 要：為輔助用戶實時、準確掌握物資儲配運維環境信息，基于物聯網技術和傳感器技術，設計了一套物資儲配運維檢測系統。首先，對系統整體框架進行設計，將系統分為ZigBee終端節點、NB-IoT 通信模塊和云平臺三個部分；然后從硬件和軟件兩方面進行詳細設計，并著重闡述了氣體傳感器的制備方法和封裝技術；最后基于搭建的測試環境對所設計氣體傳感器和系統進行了測試。結果表明，所設計的氣體傳感器的最大相對誤差低于0.3%，靈敏度約為1.417，重復性和穩定性良好；系統整體運行正常，可靈敏感知氣體濃度變化，并將數據實時傳輸到客戶端顯示，能有效輔助用戶實時、準確地掌握物資儲配運維環境信息，滿足設計需求。

關鍵詞：物聯網；氣體傳感器；物資儲配運維；氣體檢測

中圖分類號：TQ430.7 + 71；TP274.5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0177-04

Design of material storage，distribution，operation andmaintenance detection system based on iot and sensors

ZHANG Jun，LIU Chuangyi，WANG Dongliang，WU Junxing

（Nari Technology Nanjing Control Systems Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

Abstract：To assist users in obtaining real-time and accurate information about the material storage，distribution，operation and maintenance environment，a material storage，distribution，operation and maintenance detection sys?tem has been designed based on Internet of Things technology and sensor technology. Firstly，design the overallframework of the system，dividing it into three parts：ZigBee terminal node，NB IoT communication module，andcloud platform；Then，a detailed design was carried out from both hardware and software aspects，with a focus onelaborating the preparation method and packaging technology of gas sensors；Finally，the designed gas sensor andsystem were tested based on the established testing environment. The test results show that the designed gas sensorhas a high detection accuracy and sensitivity，with a maximum relative error of less than 0.3% and a sensitivity ofabout 1.417. The repeatability and stability are good；The overall operation of the system is normal，and it can sensi?tively sense changes in gas concentration，and transmit data in real-time to the client for display. This can effective?ly assist users in grasping real-time and accurate information about the material storage，distribution，operation，andmaintenance environment，meeting design requirements.

Key words：internet of things；gas sensor；material storage；distribution；operation and maintenance；gas detection

物資儲配運維在物資管理中具有重要意義。然而受環境影響，物資在儲配運維過程中容易受到污染和損壞，此時，若用戶不能快速準確地掌握物資儲配運維環境信息，則無法有效保障物資的安全性和質量。因此，設計一套可實時準確檢測物資儲配運維環境信息的檢測系統至關重要。劉宇超等 [1] 通過結合回彈法與數字化檢測混凝土強度，并利用物聯網設備提高混凝土強度檢測的工作效率，實現了渾能突強度的智慧檢測與實施監控，保障了混凝土強度檢測數據的準確性和及時性；柴世杰等 [2] 為提高操作人員對生產的電機端蓋準確驗證效率，基于物聯網相關技術，采用光柵位移傳感器測量電機端蓋尺寸，運用二維碼標識和射頻識別卡進行權限管理，并采用FINS協議和HTTP協議進行數據交互，設計了一種電機端蓋尺寸檢測系統，有效改善了電機端蓋生產效率；王勇等 [3] 結合光纖F-P干涉腔結構與碳纖維復合材料特點，設計了一種超聲在線檢測系統，實現了碳纖維復合材料在線實時檢測。通過上述研究可以發現，物聯網技術和傳感器技術為實現實時檢測奠定了基礎。因此，本研究基于物聯網和傳感器技術，結合物資儲配運維過程中受氣體環境的影響，通過采用硝酸鈷和納米二氧化鈦膠體制備氣體傳感器采集氣體數據，并利用物聯網通信技術進行傳輸，設計了一套物資儲配運維檢測系統。

1 系統整體框架

物資儲配運維檢測的目的是避免物資在儲配過程中受到污染或損壞，確保物資的安全性和質量，并保障物資儲存和物流運輸順利進行 [4] 。為實現該目的，研究結合物聯網技術和傳感器技術在智能化監管中的應用，設計了一套基于物聯網和傳感器的物資儲配運維檢測系統。系統整體框架如圖1所示。

由圖1可知，由ZigBee終端節點、NB-IoT 通信模塊和云平臺組成 [5-6] 。

ZigBee終端節點中，傳感器負責采集物資儲配運維過程中的氣體數據，路由器負責對所采集的數據進行分析處理和存儲，并壓縮打包發送到 Zig?Bee協調器。ZigBee協調器負責接收和傳輸數據。

最后，通過云平臺對數據進行分析判斷后，將數據上傳到客戶端，實現了用戶對物資儲配運維情況的實時掌握。同樣，云平臺可將命令傳輸到協調器，并利用協調器傳輸到傳感器，實現用戶對傳感器的控制 [7-8] 。

2 系統設計

2.1 硬件設計

系統硬件整體框架如圖2所示。

由圖2可知，ZigBee主控芯片采用CC2530芯片，通過氣體傳感器采集物資儲配運維環境信息，并調用BC26模塊將采集到的數據通過MQTT協議上傳到云平臺。考慮現有氣體傳感器受環境影響較大，且存在靈敏度和穩定性差的問題，研究在硬件設計中重點設計了氣體傳感器。

2.1.1 氣體傳感器制備材料與儀器

本次制備的氣體傳感器所用的材料，所用的儀器。

實驗材料：無水乙醇（AR，常興新材料）；硝酸鈷

（AR，湖北成豐化工有限公司）；丙酮（AR，溫州鼎誠化工有限公司）；氨水（AR，金東氣體設備）；納米二氧化鈦膠體（固含量5%，粒徑 30 nm，湖北匯富納米材料股份）；去離子水（電導率 18.2 MΩ·cm ，凈唐環保設備）；鉑電極（20 mm×20 mm×0.1 mm，梅特勒托利多科技（中國））。

實驗儀器：BS-224S分析天平（梅特勒托利多科技（中國））；KQ5200 超聲波清洗機（固特超聲）；CGS-8 智能氣敏分析系統（北京精量科技有限公司）；MX-L20CT 動態配氣系統（科零環保設備）；CHI660E電化學工作站（天津德尚科技有限公司）；SLG1100-60管式爐，科熱爐業；DZF-6050真空干燥箱（瑪瑞特科技）；FPS-1503DH直流穩壓電源（國穩電 氣 設 備）；UT39A 萬 用 表（工 邦 邦 工 業）；SDS1102X-C數字示波器（金凱博電子）。

2.1.2 氣體傳感器制備與封裝

TiO 2 及其復合物可與H 2 S、NH 3 、H 2 等氣體的發生化學反應，常用作制備氣體傳感器。因此，本系統基于TiO 2 制備傳感器。同時，為進一步提高TiO 2 對氣體的敏感性，文獻[11]，在TiO 2 中摻入摩爾比濃度為20%的Co 2+ ，制備Co-TiO 2 傳感器。具體制備流程如下：

（1）取2mL的5%納米TiO 2 膠體，采用分析天平稱取其質量，并計算TiO 2 的質量；

（2）按20%摩爾比濃度稱取硝酸鈷的質量，并加入2 mL的納米TiO 2 膠體中，采用超聲處理20 min，以使Co 2+ 可初步摻入TiO 2 ；

（3）將摻入Co 2+ 的TiO 2 溶液滴在石英舟中，并送入管式爐，同時以5 ℃/min的速度升溫到450 ℃，持續加熱2 h [12] ；

（4）完成加熱后，在自然環境中冷去，可得到Co-TiO 2 粉末；

（5）取適量Co-TiO 2 粉末置于研缽中研磨成細粉末，然后加入少量無水乙醇，可得到Co-TiO 2 氣敏材料；

（6）先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水浸泡平面電極5 min，并使用超聲波清洗機清洗10 min后，取出在自然環境中晾干 [13] ；

（7）將步驟（5）的得到Co-TiO 2 氣敏材料分別涂敷在步驟（6）處理后的三個叉極平面電極上，并在自然條件下干燥10 min后，送入烘干箱中，以60 ℃的溫度干燥8 h，得到Co-TiO 2 氣體傳感器 [14-15] ；

（8）將氣體傳感器的測量電極與加熱電極分別與封裝外殼基座對應的4個引腳進行焊接，形成穩定電路連接。其中，封裝外殼的基座由長×寬×高為5 mm×5 mm×1 mm的陶瓷材料制成；

（9）使用與基座對應的蓋板進行封裝，得到氣體傳感器。

2.2 軟件設計

本系統軟件主要負責完成物資儲配運維環境數據的采集和數據上傳、指令下發等工作。因此，本系統的軟件設計主要包括ZigBee終端節點數據采集和信息交互、網關讀取上傳數據和人機交互。

在進行軟件設計時，采用IAR Embedded Work?bench for 8051對ZigBee終端節點和NB-IoT通信模塊進行程序編寫和調試等工作，選擇ZigBee對應的Z-Stack協議棧進行軟件程序開發，并重點對氣體傳感器程序進行了設計 [16-17] 。

傳感器工作流程如圖3。

由圖3可知，首先進行初始化，并等待指令。當接收到采集指令時，啟動氣體傳感器采集數據，并將數據組成數據幀上傳到ZigBee協調器。未接收到指令時，進入休眠狀態。當定時器到時時，喚醒傳感器，若此時再次接受到采集指令，則執行采集任務，反之則再次進入休眠。

3 系統測試

3.1 測試系統搭建

本研究搭建的測試系統如圖4所示。

由圖4可知，①為穩壓電源，②為氣敏測試腔，③為氣體傳感器，④為蒸發皿，⑤PC端，⑥為電化學工作站，⑦為動態配氣系統。其中，穩壓電源為直流穩壓電源，負責向氣體傳感器提供穩定的電壓，以獲取氣敏電壓響應；電化學工作站負責采集氣體傳感器輸出的電壓，并通過筆記本電腦進行顯示 [18] 。

3.2 功能模塊測試

本系統功模塊測試主要是對氣體傳感器性能進行測試 [20] 。

（1）重復性和穩定性測試結果。

圖5為30 d內每間隔5 d，在室溫條件下測試的傳感器對濃度為40 ppm的NH 3 氣體響應的重復性和穩定性。由圖可知，所設計的氣體傳感器對40 ppm濃度的NH 3 氣體檢測的靈敏度約為1.417，最大相對誤差低于0.3%。由此說明，所設計傳感器具有良好的重復性和穩定性。

（2）氣體濃度檢測調試。

在氣敏測試腔的蒸發皿中蒸發不同體積的氨水獲取不同濃度的NH 3 ，利用所設計的傳感器進行檢測，得到表1所示結果。

由表1可知，所設計的傳感器可有效檢測不同濃度的NH 3 ，檢測誤差絕對值小于6 ppm，響應時間小于70 s，恢復時間小于100 s。由此說明，所設計的氣體傳感器可有效檢測氣體濃度，且具有良好的檢測精度，能快速對氣體濃度變化做出響應。

3.3 系統整體運行測試

為驗證本系統的可靠性和有效性，使用數字示波器和萬用表對系統硬件進行檢測，包括工作電壓是否正常、信號傳輸是否正常等。由測試結果可知，系統硬件可正常連接，且無明顯故障。然后，向系統中通入不同濃度的NH 3 氣體，并在客戶端查看實時數據，檢測系統硬件和軟件集成情況，結果如圖6所示。

由圖6可知，本系統可靈敏感知氣體濃度變化，且可將數據實時傳輸到客戶端顯示，具有一定的可靠性和有效性，能輔助用戶實時、準確地掌握物資儲配運維環境信息，滿足設計需求。

4 結語

綜上所述，所設計的基于物聯網和傳感器的物資儲配運維檢測系統，通過利用硝酸鈷和納米二氧化鈦膠體制備氣體傳感器，實現了物資儲配運維過程中的氣體檢測，并從硬件設計和軟件設計兩方面，對系統進行了實現。所設計的氣體傳感器具有較高的檢測重復性、穩定性，最大相對誤差低于0.3%，靈敏度約為1.417。系統整體運行正常，具有一定的可靠性和有效性，可靈敏感知氣體濃度變化，并將數據實時傳輸到客戶端顯示，能有效輔助用戶實時、準確地掌握物資儲配運維環境信息，滿足設計需求。

【參考文獻】

[1] 劉宇超，楊發兵，趙華穎，等. 基于物聯網的混凝土強度智慧檢測系統研究[J]. 建筑技術，2023，54（12）：1513-1516.

[2] 柴世杰，李加升. 基于物聯網的電機端蓋尺寸檢測系統設計[J]. 儀表技術與傳感器，2023（3）：39-43.

[3] 王勇，蘇紅巖，胡乃法. 基于光纖F-P超聲傳感器的復合材料分層檢測系統設計研究[J]. 激光雜志，2023，44（1）：80-84.

[4] 周蘊花，杜治虎，許清，等. 基于傳感器采集信息的機電一體化設備狀態檢測系統[J]. 自動化與儀表，2023，38（1）：81-85.

[5] 梁宏. 基于圖像識別的礦用氣體傳感器自動檢測系統[J].智能礦山，2023，4（9）：87-92.

[6] 楊曉雪. 基于物聯網的人工智能圖像檢測系統設計與實現[J]. 電子元器件與信息技術，2023，7（4）：187-190.

[7] 高宜遜，許錦棠，尹昱博，等. 碳化聚合物點在氣體傳感中的應用[J]. 分子科學學報，2023，39（5）：413-420.

[8] 宋文超，牛萍娟，解媛，等. 改進PDMS的高靈敏度C-LPFG丙酮氣體傳感器研究[J]. 傳感器與微系統，2023，42

（10）：17-20.

[9] 賀媛，李昕，馬健，等. 室內二氧化碳濃度監測報警器設計[J]. 吉林大學學報（信息科學版），2023，41（5）：827-831.

[10] 林成. 雙光程離軸痕量氣體傳感器的研究[J]. 內江師范學院學報，2023，38（8）：55-60.

[11] 歐陽夢，李華曜，田枝來，等. 基于電流體動力學噴印法的膠體量子點MEMS氣體傳感器性能[J]. 微納電子技術，2023，60（8）：1247-1255.

[12] 童海峰，陳再平，劉偉，等. 金屬有機框架基敏感材料及其在氣體傳感器中的應用[J]. 科學通報，2023，68（27）：3594-3613.

[13] 陳思超，黃烈江，沈狄龍，等. 基于GO-WO3材料的氣體傳感器的局部放電特征氣體檢測[J]. 微納電子技術，2023，60（8）：1274-1281.

[14] 郭元元，蔣楚寧，鄭曉虹. 介孔金屬氧化物半導體NOx氣體傳感器研究進展[J]. 功能材料與器件學報，2023，29（3）：141-153.

[15] 楊姝，高適，王學峰，等. MOS氣體傳感器的制作及對芥子氣的響應研究[J]. 傳感器與微系統，2023，42（8）：39-42.

[16] 崔心蕾，王哲禹，遲彩霞，等. 鉬酸鉍基氣敏材料研究進展[J]. 化學通報，2023，86（8）：937-943.

[17] 張坤乾. 環網柜火災監測系統設計與研究[D]. 淮南：安徽理工大學，2022.

[18] 劉小濱. 基于氣體傳感器陣列的造紙污染氣體無線檢測系統的設計和開發[D]. 廣州：華南理工大學，2022.

[19] 馬斯斯，劉念，金鑫城. 基于NB-IOT技術的智慧井蓋監控系統設計及測試分析[J]. 粘接，2023，50（1）：187-191.

[20] 鄭宇，方嵐，李蘇蘇，等. 基于微機械開關結構的電化學傳感器測試分析研究[J]. 粘接，2021，46（4）：47-51.

（責任編輯：張玉平）