煙葉醇化倉(cāng)庫(kù)PH3濃度復(fù)合監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用

楊 韜 ，駱 杰 ，楊 勇 ，楊永生 ，刀榮貴 ，黃 華

（1.紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南昆明；2.昆明美光科技有限公司，云南昆明）

0 引言

2008年3月24日，國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局下發(fā)了《煙草行業(yè)熏蒸作業(yè)安全管理暫行規(guī)定》（國(guó)煙辦綜[2008]113號(hào)），文件規(guī)定"實(shí)施熏蒸作業(yè)單位應(yīng)對(duì)熏蒸過(guò)程的氣體濃度、溫度、濕度等情況進(jìn)行即時(shí)技術(shù)監(jiān)測(cè)，如有異常現(xiàn)象要及時(shí)調(diào)整技術(shù)參數(shù)并保留過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)。該文件的出臺(tái)，對(duì)磷化氫熏蒸濃度監(jiān)測(cè)手段及技術(shù)提出了更高的要求。目前磷化氫濃度檢測(cè)主要靠抽氣檢測(cè)，而溫濕度也是靠人工記錄，對(duì)與倉(cāng)庫(kù)內(nèi)磷化氫氣體和溫濕度的分布情況以及PH3氣體釋放過(guò)程并不了解，不利于實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)掌握倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境情況。

YC/T 342—2010《煙葉熏蒸殺蟲(chóng)磷化氫濃度的測(cè)定無(wú)線(xiàn)傳感法》標(biāo)準(zhǔn)受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展，所采用的Zigbee和Wifi結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式存在數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，難以大面積部署等不足。最近發(fā)展的NB-IOT技術(shù)，其有效覆蓋范圍為1000多平方米，信道增益高，穿透性強(qiáng)，完全適合大型煙葉倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用。本文利用磷化氫傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)PH3濃度信息以及溫濕度信息，利用NB-IOT技術(shù)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行處理。加強(qiáng)型氣密性設(shè)計(jì)以及嚴(yán)密的前后臺(tái)通信協(xié)議，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用了NB-IOT技術(shù)，解決了長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題；采用雙向認(rèn)證方法大大緩解了數(shù)傳丟包率難題；采用嚴(yán)格的氣密性設(shè)計(jì)，避免了PH3對(duì)電路板的腐蝕破壞，從而從多方面保證了設(shè)備的穩(wěn)定性。

圖1 煙葉倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由掛壁式復(fù)合監(jiān)測(cè)設(shè)備（PH3和溫濕度監(jiān)測(cè)器）、NB IoT平臺(tái)（運(yùn)營(yíng)商提供）、服務(wù)器和PC終端機(jī)軟件等組成，其拓樸圖如圖1所示。該系統(tǒng)通信距離1000多米，適合大范圍部署。

由NB-IOT的通信協(xié)議決定，該監(jiān)測(cè)儀在高速運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜環(huán)境等情況下會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了雙向認(rèn)證數(shù)據(jù)協(xié)議，首先通過(guò)節(jié)點(diǎn)向后臺(tái)申請(qǐng)狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到后臺(tái)狀態(tài)信息并確認(rèn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通暢后發(fā)送環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；第二當(dāng)后臺(tái)成功接收到環(huán)境參數(shù)信息后，會(huì)發(fā)送確認(rèn)信息至前臺(tái)節(jié)點(diǎn)，只有在節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后，系統(tǒng)才認(rèn)為此次數(shù)據(jù)傳輸成功。若網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，則監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，下一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)正常后再發(fā)送，程序流程如圖2所示。

設(shè)備殼體進(jìn)行了嚴(yán)密的氣密性設(shè)計(jì)，接口縫隙、螺絲孔以及傳感器管教孔均采用了打膠密封處理，有效避免了PH3氣體進(jìn)入殼體內(nèi)部對(duì)電路板焊點(diǎn)、電池等進(jìn)行腐蝕破壞作用，從而保證了設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在大濃度PH3氣體中的穩(wěn)定工作。設(shè)備外殼如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程簡(jiǎn)圖

圖3 設(shè)備外殼設(shè)計(jì)效果圖

2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

構(gòu)建1 m3的密封玻璃箱體進(jìn)行PH3濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將設(shè)備放置于箱體內(nèi)，從后臺(tái)實(shí)施采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。采用20×10-3大量程傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量頻率8次/s，輸出電壓如圖4所示。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器測(cè)試比對(duì)發(fā)現(xiàn)，PH3濃度測(cè)量值約為1.5×10-5與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量值非常接近。氣體濃度大約有±0.002 V抖動(dòng)，對(duì)應(yīng)濃度誤差4×10-6，從而驗(yàn)證了設(shè)備測(cè)量精確性。測(cè)試過(guò)程中，箱體內(nèi)仍然存在微量的漏氣現(xiàn)象，濃度逐步下降。整個(gè)曲線(xiàn)并非均勻光滑，主要是因?yàn)槭艿江h(huán)境擾動(dòng)影響。圖4。

由于NB-IOT采用了雙向認(rèn)證算法并采取本地保存數(shù)據(jù)策略，在測(cè)試1606次的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)生了53次數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)象，即在沒(méi)有雙向認(rèn)證的情況下會(huì)有3.34%的丟包率，而雙向認(rèn)證后沒(méi)有發(fā)生一次丟包現(xiàn)象。說(shuō)明了NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的確實(shí)存在不穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明了本文所提出的雙向認(rèn)證方法的有效性。

（1）在相同環(huán)境下，將10-5量程的高精度傳感器從箱外無(wú)濃度環(huán)境下放入箱內(nèi)，放入后堵住操作孔，保證密封性。后臺(tái)系統(tǒng)記錄了整個(gè)測(cè)試儀從外部放入氣體內(nèi)的濃度測(cè)試數(shù)據(jù)變化情況，曲線(xiàn)從1.241 V上升至 1.333 V，對(duì)應(yīng)濃度從0變化至10-5，誤差在 10-6以?xún)?nèi)。相對(duì)于 20×10-3量程傳感器所測(cè)得的1.5×10-5，濃度有所下降，主要是因?yàn)?個(gè)傳感器之間有所差異以及在傳感器置換過(guò)程中氣體有所泄露導(dǎo)致。圖5。

圖4 2000 ppm傳感器輸出電壓

圖5 放入箱體過(guò)程10 ppm傳感器輸出電壓

（2）在煙葉倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熏蒸實(shí)驗(yàn)，倉(cāng)庫(kù)面積約1000 m2，高度 5.4 m，墻面掛置 4 個(gè)復(fù)合監(jiān)測(cè)儀（編號(hào) 15，14，18，17），在煙垛內(nèi)放置一個(gè)監(jiān)測(cè)儀 (編號(hào) 54)，從而對(duì)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行全程、立體的熏蒸作業(yè)監(jiān)測(cè)。整個(gè)熏蒸從2018年8月9日下午開(kāi)始，8月19日下午結(jié)束。圖6。

從圖7可以看出，整個(gè)熏蒸過(guò)程數(shù)據(jù)真實(shí)有效，沒(méi)有發(fā)生丟包現(xiàn)象，設(shè)備沒(méi)有損傷。PH3氣體濃度上升階段、保持階段以及散氣階段明顯，與抽氣式測(cè)量?jī)x進(jìn)行比對(duì)，誤差＜10-4，精度在合理的范圍內(nèi)。如圖8所示，散氣過(guò)程中，高精度傳感器工作正常，數(shù)據(jù)真實(shí)，大量程與高精度之間的切換真實(shí)有效，從而可以保證作業(yè)人員的安全。溫度變化情況見(jiàn)圖9和圖10。

（1）整個(gè)熏蒸過(guò)程中，溫度基本保持平穩(wěn)，略有波動(dòng)，主要由晝夜溫差導(dǎo)致。散氣階段，倉(cāng)庫(kù)大門(mén)打開(kāi)，溫度波動(dòng)較大。

（2）整個(gè)熏蒸過(guò)程中，濕度基本保持平穩(wěn)，散氣階段，倉(cāng)庫(kù)大門(mén)打開(kāi)，濕度波動(dòng)較大。

（3）整個(gè)熏蒸過(guò)程中，電路板沒(méi)有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，數(shù)據(jù)通信正常，沒(méi)有發(fā)生丟包現(xiàn)象，再次驗(yàn)證了設(shè)備的穩(wěn)定性。

圖6 設(shè)備懸掛設(shè)置

圖7 PH3氣體濃度整體變化曲線(xiàn)

圖8 散氣過(guò)程濃度變化測(cè)量曲線(xiàn)

圖9 溫度變化測(cè)量曲線(xiàn)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了煙葉環(huán)境監(jiān)控復(fù)合監(jiān)測(cè)儀，利用 NB-IOT技術(shù)、雙向認(rèn)證NB-IOT方法以及加強(qiáng)型氣密性設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。為大型煙草倉(cāng)庫(kù)、糧食倉(cāng)庫(kù)、酒水倉(cāng)庫(kù)以及食品倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境監(jiān)控提供了一個(gè)切實(shí)有效的方法。

圖10 濕度變化測(cè)量曲線(xiàn)