基于物联网的危险化工原料仓储及运输监控管理系统设计*

袁博文，柏均，刘朝阳，杨树强

（1.电信科学技术第四研究所，陕西 西安 710061；2.西安科技大学，陕西 西安 710058）

1 引言

截至2013年底，全国化工企业近10万家，生产7 700多种危险化学品。进入新世纪以来，我国经济快速稳定发展，对化工产品的需求量也随之猛增，这对于与之相关的危险品存储及运输行业来说有着巨大的市场机遇，同时也面临着极其严峻的挑战。

最近5年，据国家安监部门统计，我国发生各类危险化工原料、危险化学品事故近2 000起，伤亡三千多人，其中60%的事故发生在存储和运输环节。针对目前我国危险化学品仓储管理和运输存在的问题，国务院于2011年2月16日公布了修订后的《危险化学品安全管理条例》，并于2011年12月1日正式施行，条例对危险化学品的生产、储存、使用、经营和运输的安全管理进行了详细的规定和要求。传统的仓储管理以及运输管理模式已经不能够满足现代化工企业的需求。

在这样的背景下，提出了基于物联网的危险化工原料仓储及运输监控管理系统。并创新地融入智能传感器技术、智能安防技术、北斗导航定位技术、3G宽带无线传输技术、GIS系统和Web数据库。扩大了物联网技术在危险化工原料仓储运输乃至整个智能物流领域的应用，改变了目前物联网在危险化工原料仓储运输管理的运行模式，对物联网产业的发展具有重要意义。

2 系统设计

危险化工原料仓储及运输监控管理系统由中心监控管理平台、库房智能安防系统和车辆北斗定位及3G宽带传输系统组成，各系统通过有线或无线网络与监控中心连接。系统采用高性能嵌入式处理器、RFID电子标签、智能传感器、北斗定位（兼容GPS）、3G无线接入（WCDMA）、智能图像、GIS系统、数据库等技术，建立起一整套监控调度平台，完成整个出入物流链条的安全可靠实时监控和管理。系统总体结构原理框图如图1所示。

2.1 硬件设计

（1）库房智能安防系统

智能安防系统原理框图如图2所示。

智能安防系统中的核心设备为嵌入式网关设计，完成仓库智能安防的同时，通过多种智能传感器将相关数据采集后，实时上传管理中心平台，监测各仓库的各个环境状态，防止因环境因素影响危险化工原料的保存。

（2）车辆北斗定位和3G/4G宽带传输系统

图1 系统总体结构原理框图

图2 智能安防系统原理框图

为了实现北斗定位和3G宽带传输系统的灵活性和可移植性，本方案采用功能模块化设计，由嵌入式系统控制模块、北斗微型接收发射模块（兼容GPS）、3G/4G移动公网系统模块、电源模块、通用外部接口电路等部分组成。可根据具体需求定制RS-232、RS-422/485、IIC、SPI、USB、以太网口、MINI PCI-E等接口，满足不同传感器设备的互联要求。通过增减相关集成化的软硬件功能模块，完成包括北斗定位、移动公网模式选择、宽带无线链路、按键和液晶显示等功能。北斗定位和3G/4G宽带传输系统原理框图如图3所示：

图3 北斗定位和3G/4G宽带传输系统原理框图

2.2 软件设计

（1）嵌入式软件

嵌入式设备开发，采用嵌入式Linux2.6.19.2系统，具体内容包括以下各个部分：

1）Bootloader引导加载程序；

2）Linux系统移植：工具链移植、内核移植、应用程序移植；

3）芯片接口驱动程序：DSP程序开发调测等；

4）语音处理程序；

5）视频编解码处理程序：视频编解码协议开发；

6）10/100Base-T接口驱动：网络连接、数据通信程序开发；

7）电源管理；

8）应用层程序。

（2）中心监控管理平台软件

中心监控管理平台是安装在各级调度中心的控制软件系统，是实现对库房和运输车辆的货物存储和运输状态进行监控和管理的系统。

1）采用JAVA JDK8.0开发环境；

2）采用JAVA多线程处理技术，引入自适应线程池的管理调度机制，实现平台对内存空间和处理器进程资源的最优化动态分配；

3）采用分布式云检索技术和前端设备的多种定位方案，完成电子地图的显示、平台实时接收前端设备的工作状态以及相应的服务请求，为每个前端设备提供各自独有的、可自定义的LBS（Location Based Services）。

通过综合管理平台通信接口协议，规定数据传输格式，整合前端多种传感器数据，实现前端设备视频、音频及其他数据信息的实时上传和快速存储，采用主成分分析和数据拟合处理算法，按照不同需求，快速定制多种情况下的响应方案和预备方案。

3 系统运行

危险化工原料仓储运输监控管理系统的运行分3步有序闭环进行：

第一步：唯一标示阶段，采用电子标签技术对危险化工原料进行唯一标示，在仓库的进货口，危险品货物外包装或者托盘上加装电子标签，对于气态或者液态储罐可在罐体标签（特殊易燃防爆需求可只对运输车辆标签），也可以将标签嵌入证件内用于人员身份识别，将固定式RFID阅读器安装在仓库出入口、仓库内、运输车上实现远距离标签扫描（用于出入库、装卸车管理），并更新库存信息。发货时，RFID阅读器可自动更新库存信息并实现对货物的实时追踪，确保对危险物品的安全存储，借助运输车辆上设置的固定式RFID阅读器（或移动式RFID阅读器），即可准确地了解货物的位置与完备性。危险化工原料进库唯一标示阶段示意图如图4所示。

第二步：仓储安防管理阶段，在库房外部、门禁、库房内部以及其他重要部位设置安装枪机或者球机，完成设防区域视频监控及告警，可根据需要对监控区域视频进行存储以便查询，通过智能视频检测技术中的周界检测、区域检测和动态监测等技术对异常情况迅速反应、拍照取证或报警，同时将报警信息传回中心监控管理平台。库房智能管理安防系统示意图如图5所示。

第三步：闭环流通阶段，确保危险物品的运输安全。危险品在运途中，借助运输车辆上设置的固定RFID阅读器（或者手持式RFID阅读器）、北斗卫星定位系统和3G宽带无线传输系统，行驶的路线会在监控系统的电子地图上实时显示，即可准确地了解货物的位置与完备性，对危险化工原料读写的状态信息将实时上传至实时信息管理系统，这样对超速、超重、偏离路线的情况都可以告警，从而达到监控管理的目的。

图4 危险化工原料进库唯一标示阶段示意图

图5 库房智能管理安防系统示意图

根据客户要求可以在运输车辆上加装对危险化工原料的温湿度、压力、振动、倾斜角度、泄漏等进行测量监控的传感器以及摄像头，对运输车辆驾驶室及运输仓内进行动态或静态的图像回传，在将要发生危险情况时，对驾驶室进行报警，或通过3G公网可将其信息传至监控中心以便及时报警，预防事故的发生。

危险化工原料到达目的地时，解封电子锁，监控中心的管理系统收到信息，确认安全收货后，即完成此次运输监控过程。闭环流通阶段示意图如图6所示。

4 关键技术与创新

本项目承接基于物联网的危险化工原料仓储及运输监控管理系统的研制与应用示范，面向企业用户与物联网发展需要，研发针对物联网感知层、网络层、应用层的多种终端和系统平台产品。本项目涉及的核心技术和创新点体现在以下几个方面：

（1）智能传感器技术、智能安防技术、北斗导航定位技术、3G宽带无线传输技术、GIS系统和WEB数据库的有机融合，使物联网技术应用的时空深度和广度有了极大的延展，扩大了物联网技术在危险化工原料仓储运输乃至整个智能物流领域的应用；

（2）推动了智能传感器技术、智能安防技术、北斗导航定位技术、3G宽带无线传输技术、GIS系统和WEB数据库在物联网领域的广泛应用，推动了物联网技术在更多领域的应用、创新与发展；

（3）各个子系统的研制和终端产品的研制将通过本项目的实施变简单化，增强了产品开发的可靠性，推动上游系统集成厂商与相关产业的快速发展。

5 结束语

本文提出的新型的危险化工原料仓储及运输监控管理系统采用RFID电子标签、智能传感器、北斗卫星定位（兼容GPS）、3G/4G宽带无线接入、智能图像检测、GIS系统、WEB数据库等技术，建立起一整套监控调度平台，完成危险化工原料从入存储仓库到使用厂家的整个物流链条的安全可靠的实时监控和管理，实现了危险化工原料信息全程追溯，运输车辆全程监控，运输、仓储系统信息统一整合，系统自动实时报警等功能。在此基础上，提出了安装温度、湿度、压力、震动、气体分析等传感器的扩展应用来保障危险化学品的安全运输。

图6 闭环流通阶段示意图

[1]Roy Rubenstein. Radio Gets Smart[J]. IEEE SPECTRUM, 2007: 46-50.

[2]Wendong Hu, Willkomm D, Abusubaih M, et al.Cognitive Radios for Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE 802.22 Operation[J].IEEE Communications Magazine, 2007,45(5): 80-87.

[3]韦东山. 嵌入式Linux应用开发完全手册[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008: 98-99.

[4]Hynix Semiconductor Inc.Synchronous DRAM Memory 256 MbitH57V2562GTR Series datasheet[EB/OL]. [2014-08-03]. http://www.skhynix.com/products/consumer/view.jsp?info.ramKind=01&info.serialNo=H57V2562GTR&posMap=c onsumerSDRSDRAM.

[5]Hynix Semiconductor Inc.HY27UF(08/16)2G2B Series 2Gbit (256Mx8bit)NAND Flash datasheet[EB/O L]. [2 0 1 4-0 8-0 5].http://wenku.baidu.com/view/7243458be53a58021 6fcfe6c.html.