棉花倉(cāng)庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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〔1.東營(yíng)市纖維檢驗(yàn)所，山東東營(yíng)257000〕

〔2.鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450000〕

一、引言

棉花是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品和紡織工業(yè)原料，在全球棉花生產(chǎn)、消費(fèi)與貿(mào)易中的地位非常重要。據(jù)中國(guó)棉花協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2018/2019年度棉花產(chǎn)量近611萬(wàn)t，消費(fèi)量超過(guò)840萬(wàn)t，分別占全球總量的23%與33%。中國(guó)是世界上第二產(chǎn)棉國(guó)和第一消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是棉花儲(chǔ)備大國(guó)，2016年我國(guó)儲(chǔ)備棉儲(chǔ)存量高達(dá)1 200萬(wàn)t。棉花的存儲(chǔ)安全關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和國(guó)家的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。

棉花具有易燃、陰燃等一些燃燒特性，棉纖維在生長(zhǎng)中會(huì)形成天然的轉(zhuǎn)曲，中空部分為中腔，其截面積約占棉纖維截面積的10%。研究結(jié)果表明，中腔內(nèi)與棉纖維間存在的空隙能夠達(dá)到整個(gè)體積的70%，特別是在孔隙內(nèi)空氣流通不暢的情況下，熱量傳導(dǎo)速度較慢，具有蓄熱保溫的作用。但是，棉纖維孔隙中存在的空氣在外界氧氣（O2）含量不高的情況下，能夠維持棉花局部或較小范圍內(nèi)的緩慢燃燒，由于觀測(cè)不到火苗，也看不到煙霧，因此能夠持續(xù)燃燒很長(zhǎng)時(shí)間，這種現(xiàn)象稱作陰燃。棉花的燃點(diǎn)為170 ℃，屬于極易燃燒物質(zhì)，在裝卸、運(yùn)輸過(guò)程中當(dāng)摩擦、撞擊等外力所產(chǎn)生的熱量超過(guò)棉花燃點(diǎn)溫度，都有可能造成棉花陰燃。需要及時(shí)進(jìn)行處理，否則一旦遇到空氣對(duì)流會(huì)加劇燃燒速度并產(chǎn)生大量的一氧化碳（CO），極易發(fā)生爆炸釀成火災(zāi)事故，給國(guó)家造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，為此建立棉花倉(cāng)庫(kù)安全檢測(cè)系統(tǒng)具有非常重要的意義。

棉包陰燃主要產(chǎn)出的是可燃?xì)怏wCO和煙霧等，由于CO的生成速率隨著陰燃燃燒輻射強(qiáng)度的增加而加快，因此，監(jiān)測(cè)棉花倉(cāng)庫(kù)中CO的濃度對(duì)防治棉花倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的發(fā)生具有十分重要的意義。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)無(wú)線技術(shù)實(shí)時(shí)采集并監(jiān)測(cè)棉花倉(cāng)庫(kù)中CO濃度，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)棉花倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行有效管理，可以預(yù)防棉花倉(cāng)庫(kù)中棉包陰燃導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。此外，采用該技術(shù)能夠大幅降低人員監(jiān)測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少用工成本，提高棉花倉(cāng)庫(kù)安全存儲(chǔ)的保障和預(yù)警效率。

二、系統(tǒng)硬件

棉花倉(cāng)庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)CO可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，主要由TC100N-CO可燃?xì)怏w探測(cè)器、KB6000III可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警器和C33-G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。根據(jù)棉花倉(cāng)庫(kù)中棉垛的尺寸大小、CO可燃?xì)怏w探測(cè)器可監(jiān)測(cè)范圍，KB6000III可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警器可介入數(shù)量。合理部署CO探測(cè)器和報(bào)警器數(shù)量，CO探測(cè)器負(fù)責(zé)采集一氧化碳?xì)怏w濃度，并將信號(hào)發(fā)送到報(bào)警器，報(bào)警器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送到云服務(wù)器并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖1 所示）。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（一）TC100N-CO可燃?xì)怏w探測(cè)器

TC100N-CO可燃?xì)怏w探測(cè)器采用高精度氣敏元器件和微控制器技術(shù)，可將監(jiān)測(cè)到的氣體濃度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采用總線結(jié)構(gòu)將其對(duì)外傳輸，由監(jiān)控儀表遠(yuǎn)程察看探測(cè)結(jié)果。

TC100N-CO可燃?xì)怏w探測(cè)器輸出標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)字信號(hào)，每臺(tái)TC100N-CO有唯一MAC地址。

（二）KB6000III可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器

KB6000III型可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器主機(jī)包括微處理器以及處理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)器信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算、故障診斷、電源管理、按鍵監(jiān)測(cè)、報(bào)警顯示、外設(shè)驅(qū)動(dòng)等功能。

KB6000III型可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器，用于檢測(cè)環(huán)境中待監(jiān)測(cè)氣體的濃度，也可集成多個(gè)檢測(cè)不同氣體成分的探測(cè)器，同時(shí)完成對(duì)多點(diǎn)的集中控制。系統(tǒng)中采用的微處理器、高精度傳感器，監(jiān)測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快。當(dāng)環(huán)境空氣中待測(cè)氣體的濃度達(dá)到或者超過(guò)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，控制器會(huì)立即發(fā)出聲光報(bào)警，警示及時(shí)采取安全措施，同時(shí)啟動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)排風(fēng)或其它外設(shè)設(shè)備，有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生，進(jìn)而保障人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。

KB6000III型可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器對(duì)接入TC100N-CO可燃?xì)怏w探測(cè)器采集的CO信息可進(jìn)行離線存儲(chǔ)，保障了網(wǎng)絡(luò)通訊不良條件下的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行及數(shù)據(jù)安全。

（三）C33-G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

C33-G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)置工業(yè)級(jí)GPRS無(wú)線模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口，可與具有RS485總線上傳功能的KB6000III控制器以及TC100N-CO總線型探測(cè)器配合使用。

C33-G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，內(nèi)部集成了撥號(hào)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)還具有嵌入式操作系統(tǒng)。從硬件角度上，它可看作是嵌入式工控機(jī)與無(wú)線GPRS MODEM的有效結(jié)合，同時(shí)具備撥號(hào)上網(wǎng)及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能。

通過(guò)C33-G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將控制器獲取探測(cè)器采集信息發(fā)送至云端服務(wù)器。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）關(guān)鍵軟件模塊

棉花倉(cāng)庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用層軟件主要由APP端軟件模塊、PC上位機(jī)模塊和服務(wù)端軟件模塊構(gòu)成。為保證系統(tǒng)模塊完整且穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)一些硬件設(shè)備提出功能要求。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，An?droid手機(jī)須具備4.0以上的系統(tǒng)版本，同時(shí)配備2GB以上運(yùn)行內(nèi)存，還需要具備無(wú)線Wifi網(wǎng)絡(luò)功能。服務(wù)軟件端選用阿里云服務(wù)器，云端主機(jī)配置為2核CPU、4GB內(nèi)存，系統(tǒng)盤選用云盤存儲(chǔ)。

（二）服務(wù)端設(shè)計(jì)

在J2EE平臺(tái)中，J2EE是由一組規(guī)范集構(gòu)成，每一個(gè)規(guī)范明確了Java技術(shù)應(yīng)當(dāng)提供的功能類型。J2EE平臺(tái)為基于分布式應(yīng)用模型上的Java應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試和部署提供了完整的框架，同時(shí)，J2EE規(guī)范也為開發(fā)應(yīng)用和與企業(yè)系統(tǒng)集成定義了一系列的應(yīng)用編程接口與應(yīng)用編程模型。

Web Service是下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它允許在Web站點(diǎn)上放置多種可編程元素，能夠較為方便地進(jìn)行基于Web的分布式計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，本系統(tǒng)采用Web Service來(lái)提供相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)和外部接口調(diào)用。

（三）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

采用分布式MySQL作為數(shù)據(jù)持久技術(shù)。MySQL是全球最受歡迎的開源數(shù)據(jù)庫(kù)之一，作為開源軟件組合LAMP（Linux+Apache+MySQL+Perl/PHP/Py?thon）中的重要一環(huán)，廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用場(chǎng)景。主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一主一備保障數(shù)據(jù)的高可靠性。

四、系統(tǒng)總體布局（如圖2所示）

圖2 系統(tǒng)總體布局

五、結(jié)語(yǔ)

本文研究的棉花倉(cāng)庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CO氣體濃度的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)端，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)處理和實(shí)時(shí)分析，并將分析結(jié)果和氣體變化情況進(jìn)行界面展現(xiàn)，手機(jī)端軟件實(shí)現(xiàn)了棉花倉(cāng)庫(kù)信息的實(shí)時(shí)查詢和火災(zāi)事故預(yù)警。該系統(tǒng)能夠有效滿足棉花倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)期氣體檢測(cè)的實(shí)際需求，具有較高的可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了棉花倉(cāng)庫(kù)CO氣體的無(wú)線遠(yuǎn)程集中式監(jiān)控，不僅節(jié)省了勞動(dòng)力，還降低了企業(yè)成本，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤差小，為有效預(yù)防棉花倉(cāng)庫(kù)中棉花陰燃引發(fā)火災(zāi)事故提供了技術(shù)保障，在棉花存儲(chǔ)中具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義?！?/p>