基于網(wǎng)絡(luò)的腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)腐蝕性氣體給館藏文物、檔案文件和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等帶來(lái)的損害，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用嵌入式和快速以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)特殊的化學(xué)濾料，對(duì)工業(yè)和商業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的散布在空氣中的低濃度腐蝕性、惡臭和有毒氣體，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和有效凈化的功能。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；腐蝕性氣體；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277

近年來(lái)，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，散布在空氣中的腐蝕性氣體如：二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、甲醛（HCHO）、氨（NH2）等，對(duì)珍貴文物的破壞、數(shù)據(jù)中心核心計(jì)算機(jī)電子電氣設(shè)備的腐蝕，已到了非常嚴(yán)重的程度。據(jù)國(guó)家文物局2002至2005年期間，委托中國(guó)文物研究所組織專(zhuān)家對(duì)全國(guó)館藏文物腐蝕損失進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)顯示[1]，全國(guó)共有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害。初步估算：如不采取有效措施，有可能造成數(shù)以?xún)|元的損失。另外，歐盟RoHs指令[2]的實(shí)施，電路板廠家多用浸銀替代原來(lái)的鍍鉛工藝，使得電子電器設(shè)備抗腐蝕的能力大大下降，數(shù)據(jù)中心核心計(jì)算機(jī)電子電氣設(shè)備受腐蝕氣體損害非常嚴(yán)重。

腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)受到了人們的廣泛關(guān)注。目前，在市面上出現(xiàn)了一些腐蝕性氣體的凈化設(shè)備，例如：美國(guó)PURAFIL公司，AMERICAN AIR FILTER公司，加拿大CIACUL-AIRE公司生產(chǎn)的空氣凈化器。這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)大都針對(duì)空氣中顆粒狀的塵埃物、細(xì)菌以及甲醛、苯等有害氣體，而且缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。對(duì)此，我們提出了基于網(wǎng)絡(luò)的低濃度腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用嵌入式和快速以太網(wǎng)技術(shù)[3]，通過(guò)特殊的化學(xué)濾料，對(duì)空氣中低濃度腐蝕性有害氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能控制，使室內(nèi)空氣保持恒定潔凈。

2 低濃度腐蝕性氣體監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 利用化學(xué)原理凈化低濃度腐蝕性氣體

傳統(tǒng)的空氣凈化基于物理吸附原理[4][5]，即利用吸附劑的多孔性對(duì)污染物暫存收集，這存在兩個(gè)嚴(yán)重弊端：第一、吸附容易達(dá)到飽和；第二、未改變污染物的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，容易造成二次污染。我們采用特殊的化學(xué)濾料，通過(guò)化學(xué)過(guò)濾原理凈化腐蝕性氣體，這與傳統(tǒng)的空氣吸附劑單純物理吸附完全不同，其工作原理為：首先，吸附劑通過(guò)物理吸附把腐蝕性氣體作為污染物吸附收集，然后吸附劑中的活性成分同收集來(lái)的污染物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)腐蝕性的新物質(zhì)，這種化學(xué)轉(zhuǎn)化使得吸附劑釋放更多的孔隙，進(jìn)一步增強(qiáng)其吸附能力，從而徹底清除掉空氣中的污染物。

實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的關(guān)鍵在于濾料選擇、制備及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們采用特種活性氧化鋁為載體[6]，經(jīng)過(guò)高溫溶液加壓、減壓等工序制作，具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附能力。根據(jù)袪除目標(biāo)氣體，選擇對(duì)應(yīng)的化學(xué)試劑以層狀結(jié)構(gòu)附坐在氧化鋁上，例如：利用高錳酸鉀的強(qiáng)氧化性，將空氣中的具有還原性的有害氣體氧化分解，利用磷酸袪除氨氣，硫代硫酸鈉袪除氯氣等，從而達(dá)到凈化空氣的目的。該凈化方法將有毒氣體化學(xué)分解為無(wú)毒固體，不會(huì)發(fā)生二次污染，具有安全，節(jié)能，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；可用于過(guò)濾多種目標(biāo)氣體，用后易于處理，而且可分析出精確的剩余使用壽命?；瘜W(xué)濾料這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也決定了這種化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程不會(huì)有高溫或燃燒等現(xiàn)象發(fā)生，具有持續(xù)、穩(wěn)定、高效、即使在低溫或飽和的狀態(tài)下也不可逆的優(yōu)點(diǎn)。另外，凈化設(shè)備采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)控制濾料和催化劑，在循環(huán)風(fēng)速1.5m/s時(shí)形成充分化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到完全過(guò)濾腐蝕氣體的目的。

2.2 分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

存在多種目標(biāo)氣體時(shí)，不同的氣體密度不同，所以它們?cè)谑覂?nèi)的分布不同，探測(cè)器、處理機(jī)和凈化機(jī)一體化的傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該情況過(guò)濾效率低，不利于多種低濃度腐蝕性氣體的有效凈化。對(duì)此，我們提出分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具有不同功能的探測(cè)器分布于室內(nèi)不同位置，每種探測(cè)器的通信協(xié)議不同，其探測(cè)結(jié)果經(jīng)處理機(jī)收集處理后，將不同協(xié)議封裝成標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，將收集數(shù)據(jù)傳至上位監(jiān)控主機(jī)分析、展現(xiàn)，并根據(jù)報(bào)警閥值進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制化學(xué)過(guò)濾氣體凈化設(shè)備的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)可以隨意根據(jù)客戶(hù)需要定制，能模擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，讓監(jiān)控操作人員直觀的了解當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理平臺(tái)、氣體凈化器、氣體探測(cè)器、客戶(hù)端、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、管理信息化及決策分析系統(tǒng)、區(qū)域監(jiān)測(cè)中心等部分構(gòu)成，如圖2所示，是一個(gè)基于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模型[7]的系統(tǒng)，客戶(hù)端經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證，訪問(wèn)管理平臺(tái)服務(wù)器提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)具有增加、修改和刪除的權(quán)限。下面分別介紹系統(tǒng)的主要功能模塊。

3.1 系統(tǒng)管理平臺(tái)

系統(tǒng)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其它部件的工作，生成和維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的日志文件；提供系統(tǒng)用戶(hù)管理功能，包括添加和刪除用戶(hù)；撤銷(xiāo)增加或撤銷(xiāo)某用戶(hù)對(duì)某探測(cè)器的控制權(quán)；監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)告系統(tǒng)管理者；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)，供管理者參考。

3.2 探測(cè)器

探測(cè)器負(fù)責(zé)采集藏品庫(kù)房?jī)?nèi)的空氣污染物（二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、可吸入顆粒），照度、溫濕度及建筑材料污染物（甲醛、氨、苯、氡、揮發(fā)性有機(jī)化合物）等需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集是夸平臺(tái)的，采用主流SCADA系統(tǒng)提供的OPC Server[8]，并通過(guò)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)采集。

3.3 氣體凈化機(jī)

氣體凈化機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)過(guò)濾有害氣體。氣體凈化機(jī)配置多個(gè)分離式濾料箱，可針對(duì)不同的污染氣體選擇不同的化學(xué)濾料，能針對(duì)空氣中存在腐蝕氣體種類(lèi)的不同安放相應(yīng)的化學(xué)濾料，設(shè)備采用下進(jìn)上出，定量定速，確保風(fēng)速在設(shè)備內(nèi)處于1.5m/s，以充分完成化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到凈化腐蝕氣體的目的，設(shè)備外殼采用雙層鋼板，中夾保溫層的設(shè)計(jì)，在外接新風(fēng)時(shí)能確保將能耗降到最低。

3.4 多個(gè)客戶(hù)端

客戶(hù)端提供用戶(hù)一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)，其功能為：數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢(xún)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可聯(lián)動(dòng)、定時(shí)和手動(dòng)控制空氣凈化系統(tǒng)的工作；將數(shù)據(jù)采集過(guò)來(lái)、分析、展現(xiàn)，并根據(jù)報(bào)警閥值進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，為第三方系統(tǒng)提供查詢(xún)服務(wù)。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

采用TCP/IP協(xié)議[9]，通過(guò)web網(wǎng)絡(luò)傳輸采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)加工處理和處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的備份保護(hù)及信息安全防護(hù)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，定義數(shù)據(jù)的內(nèi)容，存放地址等信息，便于上層軟件的訪問(wèn)和處理。本系統(tǒng)以SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)[10]完成數(shù)據(jù)處理收集工作，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的規(guī)范，為上層提供接口。

3.6 管理信息化與決策分析系統(tǒng)

管理信息化與決策分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)局域網(wǎng)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、計(jì)算，分析探測(cè)可能產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計(jì)誤差，據(jù)此獲得每個(gè)局域網(wǎng)點(diǎn)空氣質(zhì)量的變化狀態(tài)和隨時(shí)間演化的特征；另外，把多個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的空氣質(zhì)量情況進(jìn)行匯總、綜合、比較和分析，獲得設(shè)計(jì)方案的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)該分析結(jié)果，以后系統(tǒng)升級(jí)可以按此對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行改造，由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在同一規(guī)劃下分層對(duì)模塊單獨(dú)進(jìn)行建設(shè)、給上一層提供接口，因此，改造可以在每一層內(nèi)進(jìn)行，而不必重塑整個(gè)系統(tǒng)。

3.7 區(qū)域監(jiān)測(cè)中心

使用電腦、手機(jī)、平板等設(shè)備通過(guò)局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控和查詢(xún)報(bào)警事件。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有大屏幕顯示、歷史查詢(xún)與分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控與趨勢(shì)分析、報(bào)警展示與確認(rèn)以及報(bào)表生成與打印功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)代傳感技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)，可用于博物館、銀行、檔案館、圖書(shū)館、數(shù)據(jù)中心等，該系統(tǒng)使管理工作人員實(shí)時(shí)掌握文物、計(jì)算機(jī)等所處的環(huán)境狀況，分布式遠(yuǎn)程采集，中央集中監(jiān)控，以多種手段進(jìn)行科學(xué)分析，并將分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒅噶?，?duì)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，變?nèi)斯す芾頌樾畔⒒芾?、粗放管理為精?zhǔn)控制，達(dá)到保護(hù)貯藏場(chǎng)所的微環(huán)境要求，對(duì)文物、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等具有重要的預(yù)防性保護(hù)作用。

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作者簡(jiǎn)介：劉歸華（1984-），女，湖南漣源人，助教，文學(xué)學(xué)士，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)。

作者單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004