基于云服务技术的有害气体监测及自动报警系统

吴敏敏

【摘    要】本文设计并实现了一种基于云服务技术的有害气体监测及自动报警系统。通过固定的气体探测器对重要生产环境、关键部位环境数据进行采集，由4G DTU和控制器实时对数据进行处理，计算、分析，判断是否要打开对应范围排气系统以及自动封锁相关气体源头，并通过4G网络将数据上传云服务器，预防危险事故的发生，降低工伤、工亡的发生几率。最后应用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技术完成软件系统的开发，完成的系统已取得了良好的应用效果。

【关键词】云服务技术  有害气体  自动报警

中图分类号：G4      文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.22.004

工业生产部门在生产过程中，如果不对产生的浓度超过国家规定标准有害气体进行处理直接排放到大气中，就会影响作业者的安全与健康，也会对周边的环境造成污染。如果企业生产过程中出现有害气体泄漏没有及时发现处理，甚至会严重威胁作业人员的生命安全。比如食品生产中产生的二氧化碳，该气体无色无味，但只要达到一定的浓度，直接危及作业人员生命，所以当监测到区域该气体浓度达到一定值时，要及时开放逃生通道，增加气体的循环排出，以增加工作人员的生存几率。《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》（国发[2010]23号）提出企业要建立完善的安全预警机制，出现事故征兆时要及时发出预警信息，避免重特大安全事故的发生。

近年来，随着物联网技术和云服务技术在工业互联网领域应用的不断发展，特别是有害气体检测装置和无线网络通信、人工智能、大数据的不断成熟，为有害气体监测及自动报警系统提供了新的解决方案。自动报警系统能够将企业的生产安全管理从事故发生后采取应急措施的管理模式转变为事前对安全生产隐患进行监控、预防安全事故的发生为主的管理模式。根据采集的数据进行分析，对可能发生的安全事故进行预报，最大限度地降低发生事故的可能性以及后果的严重程度。

一、硬件系统设计

系统通过固定的气体探测器采集关键部位的环境数据，通过4G DTU和控制器将串口数据转换成IP数据并对数据进行处理、分析，利用4G网络传输给云服务器，最终通过Internet网络传输给客户端，管理者可以通过电脑、LED显示屏、手机APP对数据进行实时监控。如果发现异常由本地控制单元及时反向控制本地风险控制系统和报警系统，对危险情况进行处理和报警，同时云端服务器也会通过微信将报警信息推送给管理者。在生产现场安装监控设备，并把监控视频实时传输到云端，管理者可以通过电脑、LED显示屏、手机实时查看生产现场情况。

1.系统中的气体探测器采用美国MSA公司的Ultima-X气体探测器，该探测器可以检测可燃气体和有害气体，检测原理是利用红外吸收检测可燃气体，利用电化学检测有毒气体。探测器的外壳是不锈钢，有防爆功能，且具有检测精度高、响应快，高可靠性、稳定性，高浓度可燃气体冲击下也不会灵敏度下降等优点。

2.系统中的4G DTU是能够将串口数据转换为IP数据或IP数据转换为串口数据的通信终端设备。传感器串口原始数据通过RS485/232传输到DTU转4G网络。4G DTU支持TCP/UDP/HTTP/MQTT多种网络协议服务器，支持自定义登录包/心跳包，防止网络断线或死链接，保障设备持续在线。

3.本地控制器：能够对采集到的数据进行实时处理、分析，并能够根据采集到的数据判断是否要启动本地的风险控制系统和报警系统。同时因为本地控制器能够进行简单的数据处理，进而减少从硬件系统传输到云端服務器的数据流量，减少流量压力。

4.风险控制系统能够控制排气系统和运行阀门等。

5.气体浓度报警器，当报警器检测到环境中的有害气体浓度达到设置的临界点时，就会发出报警信号。由于高度不同，气体的浓度就不同，目前市场上常见的气体浓度报警器存在因为没有办法远程操控报警器的高度而无法保证检测数据的精确度的问题。本系统中使用的气体浓度报警器，将报警器主体安装在支撑架上，支撑架上设有用于控制上升和下降的高度调节设备，调节设备包括：螺纹杆、螺纹座、驱动电机、滑块、滑槽、抵触杆、行程开关等。通过操纵驱动电机控制螺纹杆进行往复性垂直运动，从而达到对报警器的高度进行调整的目的，实现对不同高度的气体浓度进行检测，保证检测数据的精确度。

6.防爆保护监控设备，系统安装具有防爆保护、红外夜视、防水功能的监控设备，保证管理者可以随时随地远程查看生产现场情况。目前常用的监控设备都是固定装置，监控设备监控范围有限，这样就会出现无论把监控安装在任何方位，监控死角都难以避免的情况。本系统中使用的防爆保护监控设备，通过在所需监控的区域顶部铺设多个可以形成循环闭路的滑轨，利用调速电机和移动轮的传动，使得监控设备能够在滑轨上移动，并利用调节齿条和调节齿轮之间的传动，调整探头的角度，实现对监控区域全方位的监控，从而避免监控死角的出现。

经过实际测试，系统在高温、甚至雨雪等恶劣环境下，仍能够长期稳定地运行，采集的数据精确可靠。系统能够探测的气体包括氨气、二氧化碳、一氧化碳、磷化氢、氢气、沼气、天然气、氮气等，响应速度T90少于2秒，工作湿度0～95%RH不凝露，工作温度-40到60摄氏度，各项指标均已达到工业标准。系统可用于化工厂、实验室、污水处理站、仓库等有害气体监测及自动报警。

二、基于云服务技术的软件系统

（一）软件系统结构

云服务器用于存储数据，分析数据，推送微信报警信息、并提供手机端与PC端的数据端口，且具有高可靠性、高吞吐量、高稳定性、高安全性的特点。基于云服务技术的软件系统分为3层，分别为：基于云服务技术的网络服务层、数据存储层、应用层。

网络服务层用于接收从数据采集层传输过来的数据，处理后存储到数据存储层，并为应用层提供数据接口。网络服务层基于Spring Cloud框架进行开发，同时整合Spring Security为用户提供稳定而又安全的Web应用服务。Spring Cloud是一套基于Spring Boot构建的通用工具集。微服务是软件开发发展的新趋势，采用去中心化思想，服务独立，实现去耦合，开发维护简单，而且容易和第三方软件集成。Spring Security是基于Servlet过滤器的安全框架，在系统中用来处理登录时候的身份确认和权限认证。

数据存储层用于存储网络服务层处理后的数据。数据存储层以MySQL作为主存储器，Redis作为辅助存储器，FastDFS负责存储系统中的文件。MySQL是基于磁盘读写的，速度没有Redis快，但是容量不受限制。Redis是使用ANSI C编写的，基于内存读写，响应速度非常快，而且操作都是原子的，它是目前最为流行的NoSQL数据库。FastDFS充分考虑了负载均衡、冗余备份等机制，是一个轻量级分布式文件系统，提供文件上传、下载等服务。

应用层包括手机APP、微信小程序、电脑浏览器和数据大屏展示。应用层开发主要用的技术有HTML、CSS、JavaScript、Vue框架和Element-UI组件。Vue是目前比较流行的轻量级前端开发框架，它的特点是易用、灵活、高效，配合Element-UI组件，可以快速的搭建出一个前端项目，而且界面整洁美观操作友好，后期维护也比较容易。

负载均衡是为了应对数据的大量增长和高并发访问的，基于云服务技术的微服务需要负载均衡，用来处理巨大的工作负荷，提高资源的利用率。负载均衡能够将工作负载均衡地分布到多个服务器，以便提高系统、数据库或其他服务的可靠性、安全性、响应速度等。

（二）软件系统功能

软件系统用户角色包括：系统管理员、风险管理员、安全管理员。系统管理员管理系统中的用户信息、设备信息、字典等，还可以查看当前部署服务的机器的CPU、内存、JVM和存储等相关信息，可以对部署机器的健康状况做到良好的监控;风险管理员主要职能是对生产风险进行分析并指定行之有效的风险控制策略等;安全管理员负责自己所管辖的区域的安全生产情况，如有异常，需要及时了解情况并进行排查和上报。

软件系统模块包括实时数据显示模块、气体检测设备管理模块、预警记录管理模块、历史数据查询和分析模块、手机微信消息推送模块、用户管理模块、生产设备风险监测模块等。

1.实时数据显示模块：可以显示选中区域的各个检测设备采集到不同气体的数据。显示的数据包括：气体名称、采集时间、气体浓度、设备所处位置、设备编号、设备名称等。用颜色表示当前设备所处状态。灰色表示当前设备处于离线状态;绿色表示该设备采集到的数据没有超过安全阈值，处于安全状态;黄色和红色表示数据超过黄色（警告）和红色（危险）报警阈值，会给该设备的安全管理者发送预警信息，同时会启动安全风险控制系统。

2.气体检测设备管理模块：管理检测设备的设备代码、设备名称、测试气体类型、设备的采集地址及所在的区域、设备所属的安全管理员、设备检测正常值范围、设备检测预警值范围、设备检测报警值范围等。设备检测预警值范围的设置是根据企业历史预警数据与企业事故发生可接受程度来确定的。

3.预警记录模块：预警记录模块主要是记录从气体浓度超过预警范围到回归正常的时间，这个时间值用于计算危险处理KPI。该模块还具备查询选中区域的各个设备在指定时间内的预警信息，显示的数据包括：设备名称、检测的气体类型、检测到的气体浓度、设备所属的安全管理员、预警的起始时间和结束时间，数据也可以导成Excel文件。

4.历史数据查询和分析模块：可以查询气体采集的历史数据，及对指定设备和指定时间段的气体检测设备收集到的实时气体数据进行统计分析。根据统计的数据画出时间与气体浓度的折线图，画出指定时间内气体浓度在正常范围、黄色预警范围、红色预警范围占比的饼图，统计气体浓度超黄色预警值和红色预警值的时长。通过数据分析、计算、统计，数值化表示企业生产安全状态，以便管理者排查安全隱患，有针对性性的采取预防措施。

5.手机微信消息推送模块：给检测设备的管理者定时发送设备采集到的数据，如果数据异常也会及时推送。推送的信息包括：推送时间、设备名称、设备是否正常运行、气体类型及气体浓度（超过黄色预警值信息字体为黄色，超过红色预警值信息字体为红色）、该气体的黄色预警值和红色预警值、该设备的报警次数、上次报警时间。

6.生产设备风险监测模块：该模块记录所有的生产设备的出厂时间、使用寿命、设备周围的气体浓度变化趋势等信息，并对生产设备的安全风险进行评估，避免因为生产设备的老化和损坏造成的气体泄漏引起安全生产事故。生产设备安全风险评估依据：设备老化程度=[使用寿命-（当前时间-出产时间）]/使用寿命、设备周边气体浓度的微变化趋势等。如果判断出生产设备存在隐患，会立刻推送信息给设备对应的安全管理员，提示生产设备存在安全隐患需要维修或更换。

三、结束语

本文采用物联网技术、无线通信技术、云服务技术等搭建了有害气体监测及自动报警系统。利用有害气体的特点使用基于红外吸收和电化学原理的检测传感器，可以精确检测出有害气体浓度;利用4G无线网络将数据传输到云服务平台进行处理、分析、存储，软件系统应用SpringCloud、VUE、MySQL、Redis等技术完成开发。系统实现对有害气体的监测和自动报警，系统已投入使用，效果良好。【基金项目：福建省中青年教师教育科研项目：基于物联网和大数据的智能安全生产预警系统研究（JT180480）】

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