摘 要：為輔助用戶實(shí)時、準(zhǔn)確掌握物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套物資儲配運(yùn)維檢測系統(tǒng)。首先，對系統(tǒng)整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并著重闡述了氣體傳感器的制備方法和封裝技術(shù)；最后基于搭建的測試環(huán)境對所設(shè)計(jì)氣體傳感器和系統(tǒng)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(fù)性和穩(wěn)定性良好；系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，可靈敏感知?dú)怏w濃度變化，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)娇蛻舳孙@示，能有效輔助用戶實(shí)時、準(zhǔn)確地掌握物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息，滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；氣體傳感器；物資儲配運(yùn)維；氣體檢測

中圖分類號：TQ430.7 + 71；TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)維在物資管理中具有重要意義。然而受環(huán)境影響，物資在儲配運(yùn)維過程中容易受到污染和損壞，此時，若用戶不能快速準(zhǔn)確地掌握物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息，則無法有效保障物資的安全性和質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)一套可實(shí)時準(zhǔn)確檢測物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息的檢測系統(tǒng)至關(guān)重要。劉宇超等 [1] 通過結(jié)合回彈法與數(shù)字化檢測混凝土強(qiáng)度，并利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提高混凝土強(qiáng)度檢測的工作效率，實(shí)現(xiàn)了渾能突強(qiáng)度的智慧檢測與實(shí)施監(jiān)控，保障了混凝土強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性；柴世杰等 [2] 為提高操作人員對生產(chǎn)的電機(jī)端蓋準(zhǔn)確驗(yàn)證效率，基于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，采用光柵位移傳感器測量電機(jī)端蓋尺寸，運(yùn)用二維碼標(biāo)識和射頻識別卡進(jìn)行權(quán)限管理，并采用FINS協(xié)議和HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)端蓋尺寸檢測系統(tǒng)，有效改善了電機(jī)端蓋生產(chǎn)效率；王勇等 [3] 結(jié)合光纖F-P干涉腔結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種超聲在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在線實(shí)時檢測。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)為實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測奠定了基礎(chǔ)。因此，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，結(jié)合物資儲配運(yùn)維過程中受氣體環(huán)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(shù)據(jù)，并利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，設(shè)計(jì)了一套物資儲配運(yùn)維檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體框架

物資儲配運(yùn)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(zhì)量，并保障物資儲存和物流運(yùn)輸順利進(jìn)行 [4] 。為實(shí)現(xiàn)該目的，研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)在智能化監(jiān)管中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的物資儲配運(yùn)維檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

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

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)中，傳感器負(fù)責(zé)采集物資儲配運(yùn)維過程中的氣體數(shù)據(jù)，路由器負(fù)責(zé)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和存儲，并壓縮打包發(fā)送到 Zig?Bee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收和傳輸數(shù)據(jù)。

最后，通過云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷后，將數(shù)據(jù)上傳到客戶端，實(shí)現(xiàn)了用戶對物資儲配運(yùn)維情況的實(shí)時掌握。同樣，云平臺可將命令傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，并利用協(xié)調(diào)器傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑢?shí)現(xiàn)用戶對傳感器的控制 [7-8] 。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(yùn)維環(huán)境信息，并調(diào)用BC26模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到云平臺。考慮現(xiàn)有氣體傳感器受環(huán)境影響較大，且存在靈敏度和穩(wěn)定性差的問題，研究在硬件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shè)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(dǎo)率 18.2 MΩ·cm ，凈唐環(huán)保設(shè)備）；鉑電極（20 mm×20 mm×0.1 mm，梅特勒托利多科技（中國））。

實(shí)驗(yàn)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(jī)（固特超聲）；CGS-8 智能氣敏分析系統(tǒng)（北京精量科技有限公司）；MX-L20CT 動態(tài)配氣系統(tǒng)（科零環(huán)保設(shè)備）；CHI660E電化學(xué)工作站（天津德尚科技有限公司）；SLG1100-60管式爐，科熱爐業(yè)；DZF-6050真空干燥箱（瑪瑞特科技）；FPS-1503DH直流穩(wěn)壓電源（國穩(wěn)電 氣 設(shè) 備）；UT39A 萬 用 表（工 邦 邦 工 業(yè)）；SDS1102X-C數(shù)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(fù)合物可與H 2 S、NH 3 、H 2 等氣體的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，常用作制備氣體傳感器。因此，本系統(tǒng)基于TiO 2 制備傳感器。同時，為進(jìn)一步提高TiO 2 對氣體的敏感性，文獻(xiàn)[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(zhì)量，并計(jì)算TiO 2 的質(zhì)量；

（2）按20%摩爾比濃度稱取硝酸鈷的質(zhì)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(xù)加熱2 h [12] ；

（4）完成加熱后，在自然環(huán)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(xì)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(jī)清洗10 min后，取出在自然環(huán)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(yīng)的4個引腳進(jìn)行焊接，形成穩(wěn)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(yīng)的蓋板進(jìn)行封裝，得到氣體傳感器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)完成物資儲配運(yùn)維環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)上傳、指令下發(fā)等工作。因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和信息交互、網(wǎng)關(guān)讀取上傳數(shù)據(jù)和人機(jī)交互。

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，采用IAR Embedded Work?bench for 8051對ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和NB-IoT通信模塊進(jìn)行程序編寫和調(diào)試等工作，選擇ZigBee對應(yīng)的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行軟件程序開發(fā)，并重點(diǎn)對氣體傳感器程序進(jìn)行了設(shè)計(jì) [16-17] 。

傳感器工作流程如圖3。

由圖3可知，首先進(jìn)行初始化，并等待指令。當(dāng)接收到采集指令時，啟動氣體傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器。未接收到指令時，進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)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(zhí)行采集任務(wù)，反之則再次進(jìn)入休眠。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試系統(tǒng)搭建

本研究搭建的測試系統(tǒng)如圖4所示。

由圖4可知，①為穩(wěn)壓電源，②為氣敏測試腔，③為氣體傳感器，④為蒸發(fā)皿，⑤PC端，⑥為電化學(xué)工作站，⑦為動態(tài)配氣系統(tǒng)。其中，穩(wěn)壓電源為直流穩(wěn)壓電源，負(fù)責(zé)向氣體傳感器提供穩(wěn)定的電壓，以獲取氣敏電壓響應(yīng)；電化學(xué)工作站負(fù)責(zé)采集氣體傳感器輸出的電壓，并通過筆記本電腦進(jìn)行顯示 [18] 。

3.2 功能模塊測試

本系統(tǒng)功模塊測試主要是對氣體傳感器性能進(jìn)行測試 [20] 。

（1）重復(fù)性和穩(wěn)定性測試結(jié)果。

圖5為30 d內(nèi)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(yīng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性。由圖可知，所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)傳感器具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

（2）氣體濃度檢測調(diào)試。

在氣敏測試腔的蒸發(fā)皿中蒸發(fā)不同體積的氨水獲取不同濃度的NH 3 ，利用所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行檢測，得到表1所示結(jié)果。

由表1可知，所設(shè)計(jì)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(yīng)時間小于70 s，恢復(fù)時間小于100 s。由此說明，所設(shè)計(jì)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(yīng)。

3.3 系統(tǒng)整體運(yùn)行測試

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性和有效性，使用數(shù)字示波器和萬用表對系統(tǒng)硬件進(jìn)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(jié)果可知，系統(tǒng)硬件可正常連接，且無明顯故障。然后，向系統(tǒng)中通入不同濃度的NH 3 氣體，并在客戶端查看實(shí)時數(shù)據(jù)，檢測系統(tǒng)硬件和軟件集成情況，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，本系統(tǒng)可靈敏感知?dú)怏w濃度變化，且可將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)娇蛻舳孙@示，具有一定的可靠性和有效性，能輔助用戶實(shí)時、準(zhǔn)確地掌握物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息，滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)語

綜上所述，所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的物資儲配運(yùn)維檢測系統(tǒng)，通過利用硝酸鈷和納米二氧化鈦膠體制備氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)了物資儲配運(yùn)維過程中的氣體檢測，并從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面，對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的氣體傳感器具有較高的檢測重復(fù)性、穩(wěn)定性，最大相對誤差低于0.3%，靈敏度約為1.417。系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，具有一定的可靠性和有效性，可靈敏感知?dú)怏w濃度變化，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)娇蛻舳孙@示，能有效輔助用戶實(shí)時、準(zhǔn)確地掌握物資儲配運(yùn)維環(huán)境信息，滿足設(shè)計(jì)需求。

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（責(zé)任編輯：張玉平）