基于LabVIEW的?；穫}庫的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙云峰 張嘉琪

摘要：為了降低?；穫}庫人工工作方式存在的安全隱患，提高工作效率。通過LabVIEW平臺在電腦上進(jìn)行程序的編寫，基于ZigBee無線通信技術(shù)、485串口通訊技術(shù)以及傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套軟件與硬件相結(jié)合的?；穫}庫的無線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明：ZigBee通信技術(shù)和485通訊協(xié)議可將倉庫內(nèi)傳感器采集到的參數(shù)實(shí)時發(fā)送給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)發(fā)送給云端LabVIEW客戶端，實(shí)現(xiàn)對倉庫的遠(yuǎn)距離監(jiān)測，加強(qiáng)了危化品倉庫的安全性。

關(guān)鍵詞：危化品倉庫;LabVIEW平臺;ZigBee通信技術(shù);485串口通訊技術(shù);傳感器技術(shù)

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0008-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of Safety Monitoring System for Dangerous Chemical Warehouse Based on Labview

ZHAO Yun-feng， ZHANG Jia-qi

（Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to reduce the hidden danger of the manual work in the dangerous chemical warehouse and improve the work efficiency. Based on ZigBee wireless communication technology， 485 serial port communication technology and sensor technology， a wireless monitoring system of dangerous chemicals warehouse is designed by combining software and hardware. Through many experiments， it is proved that ZigBee communication technology and 485 communication protocol can send the parameters collected by sensors in the warehouse to the computer in real time， and then the computer sends them to the LabVIEW client in the cloud to realize the remote monitoring of the warehouse， the safety of the dangerous chemical warehouse has been strengthened.

Key words： dangerous chemical warehouse; labview platform; zigBee communication technology; 485 serial communication technology; sensor technology

1 背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，?；吩谌祟惖纳钪械男枨罅考跋牧吭谥鹉赀f增，用以儲存?；返膫}庫在不斷增加。由于?；纷陨砭哂幸兹?、易爆、有毒、有害及有腐蝕等特性[1-2]，導(dǎo)致其隨時都存在著危險(xiǎn)性，主要表現(xiàn)在?；返纳a(chǎn)、運(yùn)輸和儲存等多個方面[3]。其中由于倉庫內(nèi)的危化品不僅在數(shù)量、種類、儲存時間等多個方面都大于其他的幾個方面，所以倉庫儲存存在很大的危險(xiǎn)性[4]，為減少在儲存過程中發(fā)生事故的可能性，降低成本以及提高效率，智能化的倉儲管理應(yīng)運(yùn)而生[5]，并隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸完善。

本系統(tǒng)基于虛擬儀器LabVIEW平臺將ZigBee技術(shù)與RS485串口通訊技術(shù)結(jié)合起來，通過軟件對倉庫內(nèi)人員、?；愤M(jìn)行管理;利用傳感器對倉庫內(nèi)信息進(jìn)行采集并傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在通過MQTT協(xié)議將采集信息遠(yuǎn)距離傳輸給云端的LabVIEW客戶端，達(dá)成對倉庫的多層監(jiān)管;利用二維碼和指紋識別技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)倉庫的無紙化管理。

2 無線監(jiān)測的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)與485通訊技術(shù)相結(jié)合并配合不同位置節(jié)點(diǎn)的傳感器來對倉庫內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。主要的硬件設(shè)計(jì)為參數(shù)采集裝置及其電路圖的設(shè)計(jì)、指紋識別模塊的建立。

2.1 溫濕度參數(shù)采集裝置

當(dāng)倉庫內(nèi)當(dāng)溫度（或者濕度、煙度等）過高時，容易使得倉庫內(nèi)化學(xué)品發(fā)生質(zhì)變，會對人的身體產(chǎn)生危害，故需要對倉庫的溫度進(jìn)行檢測。圖1為倉庫內(nèi)的溫度采集裝置的電路圖。

其中圖1-a中P1為ZigBee模塊、P5為傳感器。供電電源選用可充電式的12V的鋰電池，電源電壓經(jīng)過如圖1-b所示降壓模塊將電壓降為5v后為ZigBee進(jìn)行供電，實(shí)物圖如圖2所示。

參數(shù)傳輸流程為：不同節(jié)點(diǎn)的傳感器將采集到的參數(shù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)打包上傳給計(jì)算機(jī)（計(jì)算機(jī)能夠通過自身的控制單元區(qū)分出傳感器的信息來自哪個位置節(jié)點(diǎn)），計(jì)算機(jī)處理后再通過MQTT協(xié)議將接收到的消息上傳到云端，此時，云端的LabVIEW客戶端也可以接收到傳感器采集到的參數(shù)信息。通過云端的監(jiān)測為系統(tǒng)多提供一層保護(hù)屏障，大大加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測的安全性。

2.2 氣體參數(shù)采集裝置

在?；穫}庫內(nèi)，為防止化學(xué)品發(fā)生泄漏對人體造成傷害，還需要對倉庫內(nèi)存在的氣體進(jìn)行采集。其通訊技術(shù)與上面溫濕度采集的通訊技術(shù)類似，電路圖、實(shí)物圖分別如圖3、圖4所示。

氣體采集裝置需要考慮到倉庫內(nèi)存在的無關(guān)的氣體對所需要采集氣體的參數(shù)造成的干擾，因此為確保采集到的氣體參數(shù)更加準(zhǔn)確，在采集裝置側(cè)部安裝一個風(fēng)扇如上圖4-b所示對氣體進(jìn)行循環(huán)。由風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的開始或者停止帶動裝置周遭的氣體的流動，使得目標(biāo)氣體可以穩(wěn)定的流經(jīng)傳感器，用以保證采集參數(shù)的真實(shí)性。

2.3 指紋采集模塊

當(dāng)系統(tǒng)有藥品流動時，相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)管理員的簽字方法，本系統(tǒng)利用Live 20R指紋采集器采用對比指紋的方法來實(shí)現(xiàn)倉庫的無紙化管理，更加保證本人親自操作的真實(shí)性。系統(tǒng)管理員事先根據(jù)本人的實(shí)名信息錄入自己的指紋，當(dāng)藥品流動時，領(lǐng)用人錄入信息以及指紋后，只有系統(tǒng)管理員的指紋驗(yàn)證成功才能進(jìn)行確認(rèn)操作，否則無法進(jìn)行后續(xù)流程。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的?；穫}庫系統(tǒng)的軟件部分由虛擬儀器平臺LabVIEW進(jìn)行編程，其主要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

3.1 人員登錄模塊

此模塊主要根據(jù)人員的管理層次的不同對其開放的權(quán)限亦不同，系統(tǒng)軟件的登錄界面前面板如圖5所示。當(dāng)普通用戶登錄時，對其開放的功能僅有監(jiān)測情況維護(hù)、查看藥品信息;當(dāng)系統(tǒng)管理員登錄時，其不但可以享有普通登錄人員的功能，還可以觀看每日藥品進(jìn)出庫的信息（包括何人購進(jìn)的藥品以及數(shù)量，還有何人借出的藥品及數(shù)量），還能對倉庫內(nèi)設(shè)定的?；穲?bào)警閾值參數(shù)進(jìn)行修改。當(dāng)需要添加新的管理員時，還需要獨(dú)立的驗(yàn)證密碼，才能對其進(jìn)行確認(rèn)。

當(dāng)需要對現(xiàn)有賬號進(jìn)行權(quán)限的變更或者添加新的賬號時，需點(diǎn)擊賬號管理，再進(jìn)行操作。當(dāng)填完人員信息執(zhí)行到最后一步的確認(rèn)工作時，還需要輸入特定的密碼才能最終完成錄入。

3.2 監(jiān)測信息參數(shù)顯示與報(bào)警模塊

此模塊主要通過把事先在倉庫內(nèi)排布好的傳感器采集到的參數(shù)通過485通訊協(xié)議傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上的顯示參數(shù)面板圖如圖6所示，顯示方式可分為數(shù)字顯示以及X軸為時間、Y軸為采集參數(shù)值的更加直觀的XY圖形。傳感器采集到的參數(shù)可以通過軟件以天為單位進(jìn)行保存，以便于可以觀看到倉庫一天內(nèi)的各個參數(shù)的變化。保存方式分為以10s為一個單位的自動保存和人為操作的手動保存兩種。

圖7為自動保存功能程序框圖，圖8為查看歷史數(shù)據(jù)以及打開圖形顯示程序框圖。

參數(shù)設(shè)定界面以及編程圖如下圖9所示，參數(shù)采集方式分為實(shí)時采集，自動仿真以及手動仿真三種模式。不同類型傳感器采集到的參數(shù)類型不同，故需要分別對不同參數(shù)的閾值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)傳感器采集到的參數(shù)在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)處于正常情況，繼續(xù)進(jìn)行工作;當(dāng)采集到的參數(shù)值小于設(shè)定的參數(shù)下閾值（或者大于參數(shù)的上閾值）時，系統(tǒng)處于異常情況，此時就會觸發(fā)報(bào)警裝置——顯示屏閃爍、報(bào)警鈴聲響起。

3.3 藥品管理模塊

3.3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

此模塊包含兩個數(shù)據(jù)庫：藥品庫以及流水庫。藥品庫內(nèi)容為各個?；返睦砘再|(zhì)，應(yīng)在軟件系統(tǒng)運(yùn)作之前就建立好;流水庫主要的內(nèi)容是對倉庫內(nèi)危化品的進(jìn)出庫進(jìn)行記錄（包括何人何時購進(jìn)或者歸還多少數(shù)量的藥品、何人何時借出的藥品和借出的藥品數(shù)量、由哪個工作人員執(zhí)行的操作，藥品存放位置、藥品規(guī)格以及藥品的狀態(tài)）。為避免人為誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不正常，將兩個數(shù)據(jù)庫的表格文件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制文件直接存于LabVIEW根目錄中，這樣做的優(yōu)點(diǎn)為文件無法直接打開，從而無法對其進(jìn)行更改，但可以在軟件中顯示，保證了文件的準(zhǔn)確性。

3.3.2 藥品管理模塊的功能

此模塊的功能依托于藥品庫和流水庫主要表現(xiàn)為藥品的查找以及出庫、進(jìn)庫管理功能。

1）查找功能

查找功能主要是對藥品在倉庫內(nèi)的信息進(jìn)行查找。軟件界面如圖10所示，面板分為abcd四個板塊，操作人員在a板塊可根據(jù)藥品名稱、出入庫日期、領(lǐng)用人以及存放位置作為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，然后分別在b、c、d板塊顯示已經(jīng)外借的藥品和尚在庫內(nèi)的藥品的信息表格、藥品存放的位置以及藥品的理化性質(zhì)。

2）藥品進(jìn)庫管理

進(jìn)庫管理軟件界面圖如圖11所示。當(dāng)有藥品入庫時，操作流程為：操作人員首先對藥品進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷藥瓶外表包裝及其上面的標(biāo)識是否完好，重量是否與實(shí)際相符，規(guī)格是多少;第二步根據(jù)本人實(shí)際信息填寫個人信息;第三步根據(jù)藥品庫內(nèi)存在的藥品的信息進(jìn)行搜索來選擇藥品信息，不能自行填寫;第四步點(diǎn)擊確認(rèn)生成藥品二維碼（二維碼具有唯一性）;第五步確認(rèn)二維碼與藥瓶的一致性，將二維碼粘貼至藥瓶表面;最后點(diǎn)擊確認(rèn)存入數(shù)據(jù)庫（二維碼生成時，信息還沒有錄入數(shù)據(jù)庫）。

3）藥品出庫管理

藥品出庫界面圖如圖12所示。操作流程為：第一步對領(lǐng)用人的信息填寫;第二步確認(rèn)掃描信息與藥品的一致性，掃描藥瓶上的二維碼;第三步則是對領(lǐng)用人及操作人員的指紋的錄入;最后確認(rèn)出庫后，操作信息流入數(shù)據(jù)庫。

4 系統(tǒng)測試

此部分對監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件功能進(jìn)行測試。首先將硬件的參數(shù)采集裝置與軟件的監(jiān)測信息參數(shù)顯示模塊與報(bào)警模塊結(jié)合起來進(jìn)行測試，結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)多個傳感器同時工作時，ZigBee技術(shù)在合理的范圍內(nèi)的信息傳輸功能正常，傳輸速度較快，采集到的參數(shù)如圖13所示，可以在軟件上以數(shù)值或XY圖形顯示，每隔10s會自動保存，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)大于（或小于）設(shè)置的參數(shù)閾值時，系統(tǒng)報(bào)警裝置啟動。然后將硬件的指紋采集模塊以及軟件的藥品管理和人員管理結(jié)合進(jìn)行測試，結(jié)果表現(xiàn)為不同層次的人員登錄系統(tǒng)是開放的功能權(quán)限也不同，指紋對比的驗(yàn)證成功率在95.8%左右，能夠查看倉庫內(nèi)的藥品信息，可以對藥品的進(jìn)出庫信息進(jìn)行實(shí)時記錄。

5 結(jié)束語

本文基于LabVIEW將ZigBee技術(shù)與RS485串口通訊技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計(jì)一個?；穫}庫的無線監(jiān)測系統(tǒng)?？梢赃B續(xù)穩(wěn)定的對倉庫內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行采集，并通過MQTT協(xié)議遠(yuǎn)距離的發(fā)送至云端的LabVIEW客戶端，減少倉庫內(nèi)人員的流動，降低危險(xiǎn)隱患的程度，并與倉庫的報(bào)警裝置形成聯(lián)動，加強(qiáng)了倉庫的安全性。指紋識別技術(shù)使倉庫基本實(shí)現(xiàn)無紙化管理，保證了本人操作的真實(shí)性。然而本系統(tǒng)還存在需要改進(jìn)的地方，如倉庫巡檢或取拿藥品時還需要人員親自實(shí)施，因此后續(xù)工作可以設(shè)計(jì)一個能夠自動巡檢的AGV導(dǎo)引小車并對其安裝機(jī)械手用于取放藥品，提高系統(tǒng)的自動化、智能化與無人化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建峰.危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫的安全管理策略研究[J].化工管理，2020（24）：78-79.

[2] 李晞，王曉兵，陳會明.危險(xiǎn)化學(xué)品名錄研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（7）：138-145.

[3] Li Y，Ping H，Ma Z H，et al.Statistical analysis of sudden chemical leakage accidents reported in China between 2006 and 2011[J].Environmental Science and Pollution Research，2014，21（8）：5547-5553.

[4] 朱旭峰.危險(xiǎn)化學(xué)品儲存裝卸環(huán)節(jié)存在的安全隱患及解決對策[J].石化技術(shù)，2020，27（8）：156，166.

[5] 李旭.智能化倉儲管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2020，10（4）：31-32.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】