一種用于應(yīng)急監(jiān)測的通用化測試平臺

薛偉寧 馬紅梅 鄧永紅

摘要：近年來突發(fā)的應(yīng)急事故引發(fā)社會問題的頻率正在呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，只有對應(yīng)急事故的類型及當前環(huán)境狀況做出準確的判斷，才能為應(yīng)急事故及時、準確的進行處理、處置提供科學的依據(jù)措施。本文就當前的應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備存在體積大、功能單一等問題及其技術(shù)進行總結(jié)，設(shè)計了一種將虛擬儀器用于應(yīng)急監(jiān)測的便攜式通用化測試平臺，該平臺的特點是操作簡單、兼容多種類傳感器、操作時間短等，并且可以在惡劣的環(huán)境中工作。

Abstract： In recent years， the frequency of emergencies caused by emergencies has been increasing year by year. Only by making accurate judgments on the types of emergency accidents and current environmental conditions can we provide timely and accurate treatment and disposal of emergency accidents. Scientific basis measures.This paper summarizes the problems and technologies of the current emergency monitoring equipment， such as large volume and single function， and designs a portable universal testing platform for emergency monitoring based on virtual instrument technology. It has a simple operation and is compatible with many types of sensors. Features such as short operating time， and can work in harsh environments.

關(guān)鍵詞：應(yīng)急事故;應(yīng)急監(jiān)測;虛擬儀器;便攜式;通用化

Key words： emergency accident;emergency monitoring;virtual instrument;portable;generalization

中圖分類號：X830.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0139-04

0 ?引言

應(yīng)急監(jiān)測是做好突發(fā)性應(yīng)急事故處置、處理的前提和關(guān)鍵，只有對應(yīng)急事故的類型及當前環(huán)境狀況做出準確的判斷，才能為應(yīng)急事故及時、準確的進行處理、處置提供科學的依據(jù)措施。可以說，應(yīng)急監(jiān)測是應(yīng)急事故中應(yīng)急處置與善后處理中始終依賴的基礎(chǔ)工作。及時的應(yīng)急監(jiān)測有效的減少了處置事故的時間，降低了傷亡和經(jīng)濟損失。

隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平的普遍提升，突發(fā)的應(yīng)急事故引發(fā)社會問題的頻率也正在呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。[1]2007年12月5日山西省臨汾市洪洞縣瑞之源煤業(yè)有限公司（原洪洞縣新窯煤礦）發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故。 2015年4月5日，中國礦業(yè)大學實驗室發(fā)生爆燃事故，主要是由于儲氣鋼瓶發(fā)生爆炸造成。2015年8月12日天津港危險品倉庫發(fā)生爆炸，車輛損失值超過20億元，爆炸導(dǎo)致門窗受損的周邊居民戶數(shù)達到17000多戶。2016年11月25日21時04分，四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司發(fā)生較大瓦斯爆炸事故，直接經(jīng)濟損失510萬。我們應(yīng)清醒的看到，安全事故隨著國家對應(yīng)急監(jiān)測的要求力度，使近年的安全事故呈現(xiàn)規(guī)模減少，危害降低，人員傷亡下降的趨勢，但形勢依然不容樂觀。

目前造成重大應(yīng)急事故原因如圖1所示，基本分為兩大類：自然因素和人為因素。自然因素指由自然災(zāi)害造成的事故，這些事故在目前的條件下受到科學知識不足的限制還做不到完全防止，需要經(jīng)過大數(shù)據(jù)的匯總和分析，來做到預(yù)測和預(yù)報，從而降低災(zāi)害帶來的影響。[2]人為因素則是指由人為造成的事故。通過正確的、完備的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的預(yù)防事故的發(fā)生。例如在煤炭行業(yè)中，煤礦井下安裝了安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過多點位、大批量、不間斷的監(jiān)測工作，全程追蹤監(jiān)測煤礦井下瓦斯、粉塵、溫度、等相關(guān)氣體濃度變化情況，及時準確的發(fā)布有關(guān)數(shù)據(jù)信息，為有關(guān)決策部門采取控制瓦斯爆炸等礦井事故，贏得了大量時間，[3]并且有效的減少事故造成的損失。

由于傳統(tǒng)的應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備具有“傻、大、笨、粗”的特點，并且成本高、體積較大且不便于在環(huán)境惡劣的地區(qū)工作。本文就當前的應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備及其技術(shù)進行總結(jié)，設(shè)計了一種用于應(yīng)急監(jiān)測的便攜式通用化測試平臺，其具有操作簡單、兼容多種類傳感器、操作時間短等特點，并且可以在惡劣的環(huán)境中工作。

1 ?應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)概況分析

較早時期的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)，普遍的監(jiān)測方法是人工監(jiān)測，這幾年監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，需要監(jiān)測方面越來越多，工作量持續(xù)增加，監(jiān)測精確程度越來越高，而監(jiān)測過程所用的時間的要求越來越短，人工監(jiān)測已不能滿足要求。

應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展分三個階段，第一階段主要應(yīng)用專業(yè)化的設(shè)備，為了實現(xiàn)某一方面的監(jiān)測，需要很多的時間來進行專門的監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)，設(shè)計研發(fā)過程中，如果出現(xiàn)不適用的現(xiàn)象，需要重新設(shè)計，這就導(dǎo)致了時間和成本的浪費，普適性不強。第二階段監(jiān)測裝置逐步實現(xiàn)了接口的標準化，監(jiān)測系統(tǒng)的每個部分都是按照統(tǒng)一的接口制造的，監(jiān)測裝置使用統(tǒng)一的接口實現(xiàn)互連進行監(jiān)測。以上發(fā)展過程中監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中比較便利，便于測試，但是沒有把計算機的優(yōu)勢充分的發(fā)揮出來。第三階段進入與計算機結(jié)合的階段，監(jiān)測過程實現(xiàn)了自動化。該階段以各種總線技術(shù)為基礎(chǔ)，使用了虛擬儀器，正好利用了計算機的強大的功能。虛擬儀器的主要部分是工業(yè)計算機和通用化硬件，測試系統(tǒng)通用性不斷提高，完全得益于工業(yè)計算機作為平臺。數(shù)據(jù)傳輸速率也可以依靠工業(yè)計算機的強大機能大幅提高。通用化硬件包括常用的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字的輸入輸出口，計數(shù)器、數(shù)字萬用表和示波器等。通用化的硬件可以任意搭配完成多種的監(jiān)測要求。硬件裝置只具有數(shù)據(jù)接收作用，數(shù)據(jù)的整合研究和保存都是由工業(yè)計算機完成的，工業(yè)計算機還可以根據(jù)現(xiàn)場實際的監(jiān)測要求來進行多種搭配，實現(xiàn)測試功能。虛擬儀器硬件系統(tǒng)需要功能豐富的軟件系統(tǒng)的支持，LabVIEW軟件是主要的應(yīng)用軟件。LabVIEW實用的是圖形化編程語言，區(qū)別于傳統(tǒng)的文本語言，程序語言簡化，調(diào)試起來容易。應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)未來發(fā)展方向有三個趨勢，第一，監(jiān)測裝置的小型化和便攜化是必備的要求，將原來的監(jiān)測裝置進行減小，從而達到系統(tǒng)的小型化，便于攜帶，這樣就能很好的適應(yīng)多種監(jiān)測環(huán)境。第二，監(jiān)測的設(shè)備的集成化，以后的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)將會有多種的監(jiān)測要求，所以對整個系統(tǒng)的多種功能要進行整合。第三，監(jiān)測系統(tǒng)的開放性，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上擴展延伸新的硬件裝置和技術(shù)，來滿足未來多種的監(jiān)測需求，同時提高了監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能，適用場合不斷的拓展。

本文的通用化應(yīng)急測試設(shè)備主要基于虛擬儀器概念，配合常見應(yīng)急傳感器和基于LabVIEW編寫的軟件完成通用化應(yīng)急測試監(jiān)測。

2 ?系統(tǒng)組成

2.1 硬件方案

應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)主要由采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器， 具備信號調(diào)理功能的采集設(shè)備以及采集終端三部分組成，其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本次設(shè)計實現(xiàn)對多種應(yīng)急監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測，傳感器種類主要包含甲烷傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器和粉塵傳感器。

溫濕度傳感器主要選用HG21-1溫濕度傳感器，敏感元件被監(jiān)測到環(huán)境溫度、濕度，輸出智能數(shù)字信號。[4]該傳感器具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。一氧化碳傳感器使用的是MQ-7傳感器，該傳感器主要使用了氣敏材料來監(jiān)測一氧化碳，用的是二氧化錫，它的電導(dǎo)率不高。[5]該種傳感器使用的是高溫和低溫反復(fù)測量的方法測試一氧化碳，監(jiān)測單元的電導(dǎo)率會根據(jù)環(huán)境中的氣體濃度變化而成正比例變化，傳感器的電信號輸出可以由電導(dǎo)率的改變量對應(yīng)著氣體濃度得到。[6]甲烷傳感器選用MQ-4氣體傳感器。它所使用的氣敏材料是電導(dǎo)率低的二氧化錫。傳感器吸收了可燃氣體后，傳感器檢測單元的電導(dǎo)率會由于可燃氣體濃度的變化而變化，使用轉(zhuǎn)換電路將電導(dǎo)率的量換算為氣體濃度值對著的電信號。[7]粉塵傳感器采用型號為GP2Y1010AU的傳感器，裝置里面裝有發(fā)光二極管和光電晶體管，粉塵中有光通過后，產(chǎn)生了散射現(xiàn)象，之后的光被光電晶體管接收，通過光電轉(zhuǎn)換電路，得到了一定電壓值的信號，這個信號和光的大小成比例關(guān)系，即是環(huán)境的粉塵濃度值。[8]

不同傳感器供電分為兩種，5V和12V。如表1所示，為了保證傳感器供電，在供電的選擇上選用12V線性電源。常見的電源有開關(guān)電源和線性電源。開關(guān)電源利用電感電容充放電的特性配合場管或者三極管開關(guān)，異步傳輸電壓電流，實現(xiàn)電能傳輸，電路結(jié)構(gòu)不同可以實現(xiàn)升壓或降壓，轉(zhuǎn)換效率高，但是轉(zhuǎn)換的開關(guān)頻率會產(chǎn)生一定紋波。線性電源利用半導(dǎo)體器件本身的特性調(diào)整電壓，一般是降壓輸出。由于是以器件本身消耗能量的方式得到輸出，故效率較低，60%以下的轉(zhuǎn)化率很常見，輸出功率的線性電源體積一般比開關(guān)電源大，但是紋波很小。基于這一點選擇使用線性電源，保證在現(xiàn)場采集信號不會引入紋波干擾。本設(shè)計中供電選用220V轉(zhuǎn)12V直流電源，并留出接口可以直接12V直流電源。5V供電傳感器的供電需要由分壓產(chǎn)生。

信號采集設(shè)備采用美國國家儀器公司的USB-6009，該板卡是一款高性價比多功能DAQ設(shè)備，具備8路AI（14位，48 kS/s），2路AO（150Hz），13路DIO，USB多功能I/O設(shè)備該設(shè)備具有輕便的機械外殼，采用USB總線供電，非常便于攜帶。NI USB-6009的原理框圖如圖3所示，該板卡通過USB總線連接到控制芯片，控制芯片可以實現(xiàn)計數(shù)器、模擬量輸出和模擬量輸入的功能。USB-6009數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部只有一個A/D轉(zhuǎn)換器，所以多路選擇開關(guān)MUX對輸入的多路模擬信號進行選擇時，一個時刻只能選擇一路模擬信號送入ADC。[9]但是由于成本和傳感器采集速率的要求，選擇此板卡作為采集核心是能夠滿足需求的。由于所有傳感器的輸出都是0-5V之內(nèi)，可以采用板卡直接采集。傳感器通過電纜連接到信號采集設(shè)備上，中間通過屏蔽、共地等操作，盡量減少噪聲與其它影響。

最終的信號流圖如圖4所示，傳感器在接收直流電源供電之后，數(shù)據(jù)經(jīng)過導(dǎo)線傳輸給采集設(shè)備，經(jīng)過采集設(shè)備，最后進入數(shù)據(jù)終端。

2.2 軟件方案

數(shù)據(jù)終端內(nèi)部包含一個LabVIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件。如圖表2所示，列出了該軟件的功能。該軟件具備權(quán)限管理功能，權(quán)限管理把用戶分為操作員和管理員兩類，操作員進行一般操作，管理員除具有操作員的權(quán)限外還能夠修改用戶密碼、增/刪用戶、修改用戶名、系統(tǒng)配置等多種權(quán)限。軟件可以配置各測量參數(shù)的物理通道，參數(shù)名稱、配置各通道的濾波、增益、量程、傳感器類型、配置數(shù)據(jù)采集器的采樣速率，并且通道配置信息可復(fù)制粘貼。采集的數(shù)據(jù)也具備根據(jù)連續(xù)采集數(shù)據(jù)文件格式存儲連續(xù)采集數(shù)據(jù)，也可以用戶可在試驗中的任意時刻開始存儲數(shù)據(jù)，并以一定的文件名格式另存為數(shù)據(jù)文件。

考慮到程序結(jié)構(gòu)的可擴展性和延展性，系統(tǒng)將整個軟件劃分如圖5所示的層次結(jié)構(gòu)。用戶界面層：實現(xiàn)計算機和用戶的交互，數(shù)據(jù)的顯示;管理層：實現(xiàn)對硬件的設(shè)置、文件及參數(shù)配置進行規(guī)劃。通信層：為監(jiān)控終端提供原始數(shù)據(jù)引擎和狀態(tài)數(shù)據(jù)引擎。流程控制層：負責對管理層的信息進行分析，實現(xiàn)用戶配置的試驗流程按順序進行。同時依據(jù)流程配置信息向硬件驅(qū)動層發(fā)送指令和提取數(shù)據(jù);硬件驅(qū)動層：為試驗流程控制層和物理層建立標準接口，從輸入設(shè)備采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到流程控制層，從流程控制層接收數(shù)據(jù)控制輸出設(shè)備動作。[10]

經(jīng)過層次結(jié)構(gòu)和軟件功能需求，可以得出圖6的軟件邏輯流程圖。

2.3 最終實現(xiàn)

監(jiān)測平臺經(jīng)過了硬件和軟件的研究設(shè)計后，組裝成系統(tǒng)，之后要經(jīng)過調(diào)試保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。通過系統(tǒng)的調(diào)試來對出現(xiàn)的問題一一進行改進。通過在煤礦現(xiàn)場進行實際使用監(jiān)測，從反饋的數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)達到了很好的降低成本，實現(xiàn)通用化的要求，達到了之前的設(shè)計要求。

3 ?結(jié)論

本文提出采用便攜式應(yīng)急監(jiān)測的通用化測試平臺，接收到應(yīng)急事故現(xiàn)場的相關(guān)參數(shù)后，可選擇性通過以太網(wǎng)通信方式與遠程控制中心進行通信。相對于傳統(tǒng)的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、無丟失、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低、無需網(wǎng)絡(luò)維護、入網(wǎng)方便的優(yōu)點。

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