棉花仓库安全监测系统设计与实现

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〔1.东营市纤维检验所，山东东营257000〕

〔2.郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450000〕

一、引言

棉花是我国重要的农产品和纺织工业原料，在全球棉花生产、消费与贸易中的地位非常重要。据中国棉花协会统计，我国2018/2019年度棉花产量近611万t，消费量超过840万t，分别占全球总量的23%与33%。中国是世界上第二产棉国和第一消费国，同时也是棉花储备大国，2016年我国储备棉储存量高达1 200万t。棉花的存储安全关系到国计民生和国家的长期稳定发展。

棉花具有易燃、阴燃等一些燃烧特性，棉纤维在生长中会形成天然的转曲，中空部分为中腔，其截面积约占棉纤维截面积的10%。研究结果表明，中腔内与棉纤维间存在的空隙能够达到整个体积的70%，特别是在孔隙内空气流通不畅的情况下，热量传导速度较慢，具有蓄热保温的作用。但是，棉纤维孔隙中存在的空气在外界氧气（O2）含量不高的情况下，能够维持棉花局部或较小范围内的缓慢燃烧，由于观测不到火苗，也看不到烟雾，因此能够持续燃烧很长时间，这种现象称作阴燃。棉花的燃点为170 ℃，属于极易燃烧物质，在装卸、运输过程中当摩擦、撞击等外力所产生的热量超过棉花燃点温度，都有可能造成棉花阴燃。需要及时进行处理，否则一旦遇到空气对流会加剧燃烧速度并产生大量的一氧化碳（CO），极易发生爆炸酿成火灾事故，给国家造成重大的经济损失和社会影响，为此建立棉花仓库安全检测系统具有非常重要的意义。

棉包阴燃主要产出的是可燃气体CO和烟雾等，由于CO的生成速率随着阴燃燃烧辐射强度的增加而加快，因此，监测棉花仓库中CO的浓度对防治棉花仓库火灾的发生具有十分重要的意义。随着通信技术、计算机技术以及物联网技术的飞速发展，通过无线技术实时采集并监测棉花仓库中CO浓度，并根据采集到的数据对棉花仓库进行有效管理，可以预防棉花仓库中棉包阴燃导致火灾的发生。此外，采用该技术能够大幅降低人员监测的劳动强度，减少用工成本，提高棉花仓库安全存储的保障和预警效率。

二、系统硬件

棉花仓库安全监测系统硬件实现CO可燃气体的实时在线监测，主要由TC100N-CO可燃气体探测器、KB6000III可燃气体监测报警器和C33-G无线数据传输模块组成。根据棉花仓库中棉垛的尺寸大小、CO可燃气体探测器可监测范围，KB6000III可燃气体监测报警器可介入数量。合理部署CO探测器和报警器数量，CO探测器负责采集一氧化碳气体浓度，并将信号发送到报警器，报警器将接收到的数据进行分析处理，通过无线传输模块传送到云服务器并存储到数据库（如图1 所示）。

图1 系统硬件结构图

（一）TC100N-CO可燃气体探测器

TC100N-CO可燃气体探测器采用高精度气敏元器件和微控制器技术，可将监测到的气体浓度信息转化为数字信号，采用总线结构将其对外传输，由监控仪表远程察看探测结果。

TC100N-CO可燃气体探测器输出标准RS485数字信号，每台TC100N-CO有唯一MAC地址。

（二）KB6000III可燃气体监测报警控制器

KB6000III型可燃气体监测报警控制器主机包括微处理器以及处理软件，能够实现探测器信号采样、数据计算、故障诊断、电源管理、按键监测、报警显示、外设驱动等功能。

KB6000III型可燃气体监测报警控制器，用于检测环境中待监测气体的浓度，也可集成多个检测不同气体成分的探测器，同时完成对多点的集中控制。系统中采用的微处理器、高精度传感器，监测灵敏度高、响应速度快。当环境空气中待测气体的浓度达到或者超过预先设置的报警值时，控制器会立即发出声光报警，警示及时采取安全措施，同时启动执行器驱动排风或其它外设设备，有效防止火灾事故的发生，进而保障人民生命、财产安全。

KB6000III型可燃气体监测报警控制器对接入TC100N-CO可燃气体探测器采集的CO信息可进行离线存储，保障了网络通讯不良条件下的系统持续运行及数据安全。

（三）C33-G无线数据传输模块

C33-G无线数据传输模块内置工业级GPRS无线模块，提供标准RS485数据接口，可与具有RS485总线上传功能的KB6000III控制器以及TC100N-CO总线型探测器配合使用。

C33-G无线数据传输模块，内部集成了拨号协议与TCP/IP协议栈，同时还具有嵌入式操作系统。从硬件角度上，它可看作是嵌入式工控机与无线GPRS MODEM的有效结合，同时具备拨号上网及TCP/IP数据通信的功能。

通过C33-G无线数据传输模块将控制器获取探测器采集信息发送至云端服务器。

三、软件设计

（一）关键软件模块

棉花仓库安全监测系统应用层软件主要由APP端软件模块、PC上位机模块和服务端软件模块构成。为保证系统模块完整且稳定运行，需要对一些硬件设备提出功能要求。根据实际业务需求，An⁃droid手机须具备4.0以上的系统版本，同时配备2GB以上运行内存，还需要具备无线Wifi网络功能。服务软件端选用阿里云服务器，云端主机配置为2核CPU、4GB内存，系统盘选用云盘存储。

（二）服务端设计

在J2EE平台中，J2EE是由一组规范集构成，每一个规范明确了Java技术应当提供的功能类型。J2EE平台为基于分布式应用模型上的Java应用程序的设计、开发、调试和部署提供了完整的框架，同时，J2EE规范也为开发应用和与企业系统集成定义了一系列的应用编程接口与应用编程模型。

Web Service是下一代互联网技术，它允许在Web站点上放置多种可编程元素，能够较为方便地进行基于Web的分布式计算和数据处理，本系统采用Web Service来提供相关数据服务和外部接口调用。

（三）数据库设计

采用分布式MySQL作为数据持久技术。MySQL是全球最受欢迎的开源数据库之一，作为开源软件组合LAMP（Linux+Apache+MySQL+Perl/PHP/Py⁃thon）中的重要一环，广泛应用于各类应用场景。主从结构设计，一主一备保障数据的高可靠性。

四、系统总体布局（如图2所示）

图2 系统总体布局

五、结语

本文研究的棉花仓库安全监测系统实现了CO气体浓度的实时采集，并通过无线发送模块将数据存储在云服务端，系统对数据进行基础处理和实时分析，并将分析结果和气体变化情况进行界面展现，手机端软件实现了棉花仓库信息的实时查询和火灾事故预警。该系统能够有效满足棉花仓库长期气体检测的实际需求，具有较高的可靠性和系统稳定性。系统实现了棉花仓库CO气体的无线远程集中式监控，不仅节省了劳动力，还降低了企业成本，数据监测实时性强、误差小，为有效预防棉花仓库中棉花阴燃引发火灾事故提供了技术保障，在棉花存储中具有广阔的应用前景和实际意义。☆