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一种用于应急监测的通用化测试平台

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薛伟宁马红梅邓永红

摘要：近年来突发的应急事故引发社会问题的频率正在呈现逐年增加的趋势，只有对应急事故的类型及当前环境状况做出准确的判断，才能为应急事故及时、准确的进行处理、处置提供科学的依据措施。本文就当前的应急监测设备存在体积大、功能单一等问题及其技术进行总结，设计了一种将虚拟仪器用于应急监测的便携式通用化测试平台，该平台的特点是操作简单、兼容多种类传感器、操作时间短等，并且可以在恶劣的环境中工作。

Abstract： In recent years， the frequency of emergencies caused by emergencies has been increasing year by year. Only by making accurate judgments on the types of emergency accidents and current environmental conditions can we provide timely and accurate treatment and disposal of emergency accidents. Scientific basis measures.This paper summarizes the problems and technologies of the current emergency monitoring equipment， such as large volume and single function， and designs a portable universal testing platform for emergency monitoring based on virtual instrument technology. It has a simple operation and is compatible with many types of sensors. Features such as short operating time， and can work in harsh environments.

关键词：应急事故;应急监测;虚拟仪器;便携式;通用化

Key words： emergency accident;emergency monitoring;virtual instrument;portable;generalization

中图分类号：X830.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）15-0139-04

0 ?引言

应急监测是做好突发性应急事故处置、处理的前提和关键，只有对应急事故的类型及当前环境状况做出准确的判断，才能为应急事故及时、准确的进行处理、处置提供科学的依据措施。可以说，应急监测是应急事故中应急处置与善后处理中始终依赖的基础工作。及时的应急监测有效的减少了处置事故的时间，降低了伤亡和经济损失。

随着我国国民经济快速发展和人民生活水平的普遍提升，突发的应急事故引发社会问题的频率也正在呈现逐年增加的趋势。[1]2007年12月5日山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司（原洪洞县新窑煤矿）发生特别重大瓦斯爆炸事故。 2015年4月5日，中国矿业大学实验室发生爆燃事故，主要是由于储气钢瓶发生爆炸造成。2015年8月12日天津港危险品仓库发生爆炸，车辆损失值超过20亿元，爆炸导致门窗受损的周边居民户数达到17000多户。2016年11月25日21时04分，四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司发生较大瓦斯爆炸事故，直接经济损失510万。我们应清醒的看到，安全事故随着国家对应急监测的要求力度，使近年的安全事故呈现规模减少，危害降低，人员伤亡下降的趋势，但形势依然不容乐观。

目前造成重大应急事故原因如图1所示，基本分为两大类：自然因素和人为因素。自然因素指由自然灾害造成的事故，这些事故在目前的条件下受到科学知识不足的限制还做不到完全防止，需要经过大数据的汇总和分析，来做到预测和预报，从而降低灾害带来的影响。[2]人为因素则是指由人为造成的事故。通过正确的、完备的应急监测系统可以有效的预防事故的发生。例如在煤炭行业中，煤矿井下安装了安全监测监控系统，通过多点位、大批量、不间断的监测工作，全程追踪监测煤矿井下瓦斯、粉尘、温度、等相关气体浓度变化情况，及时准确的发布有关数据信息，为有关决策部门采取控制瓦斯爆炸等矿井事故，赢得了大量时间，[3]并且有效的减少事故造成的损失。

由于传统的应急监测设备具有“傻、大、笨、粗”的特点，并且成本高、體积较大且不便于在环境恶劣的地区工作。本文就当前的应急监测设备及其技术进行总结，设计了一种用于应急监测的便携式通用化测试平台，其具有操作简单、兼容多种类传感器、操作时间短等特点，并且可以在恶劣的环境中工作。

1 ?应急监测系统概况分析

较早时期的应急监测系统，普遍的监测方法是人工监测，这几年监测技术不断发展，需要监测方面越来越多，工作量持续增加，监测精确程度越来越高，而监测过程所用的时间的要求越来越短，人工监测已不能满足要求。

应急监测技术的发展分三个阶段，第一阶段主要应用专业化的设备，为了实现某一方面的监测，需要很多的时间来进行专门的监测系统的研究和开发，设计研发过程中，如果出现不适用的现象，需要重新设计，这就导致了时间和成本的浪费，普适性不强。第二阶段监测装置逐步实现了接口的标准化，监测系统的每个部分都是按照统一的接口制造的，监测装置使用统一的接口实现互连进行监测。以上发展过程中监测系统在实际应用中比较便利，便于测试，但是没有把计算机的优势充分的发挥出来。第三阶段进入与计算机结合的阶段，监测过程实现了自动化。该阶段以各种总线技术为基础，使用了虚拟仪器，正好利用了计算机的强大的功能。虚拟仪器的主要部分是工业计算机和通用化硬件，测试系统通用性不断提高，完全得益于工业计算机作为平台。数据传输速率也可以依靠工业计算机的强大机能大幅提高。通用化硬件包括常用的模拟量输入、模拟量输出、数字的输入输出口，计数器、数字万用表和示波器等。通用化的硬件可以任意搭配完成多种的监测要求。硬件装置只具有数据接收作用，数据的整合研究和保存都是由工业计算机完成的，工业计算机还可以根据现场实际的监测要求来进行多种搭配，实现测试功能。虚拟仪器硬件系统需要功能丰富的软件系统的支持，LabVIEW软件是主要的应用软件。LabVIEW实用的是图形化编程语言，区别于传统的文本语言，程序语言简化，调试起来容易。应急监测系统未来发展方向有三个趋势，第一，监测装置的小型化和便携化是必备的要求，将原来的监测装置进行减小，从而达到系统的小型化，便于携带，这样就能很好的适应多种监测环境。第二，监测的设备的集成化，以后的应急监测系统将会有多种的监测要求，所以对整个系统的多种功能要进行整合。第三，监测系统的开放性，在原有设备的基础上扩展延伸新的硬件装置和技术，来满足未来多种的监测需求，同时提高了监测系统的整体性能，适用场合不断的拓展。

本文的通用化应急测试设备主要基于虚拟仪器概念，配合常见应急传感器和基于LabVIEW编写的软件完成通用化应急测试监测。

2 ?系统组成

2.1 硬件方案

应急监测系统主要由采集各种环境数据的传感器，具备信号调理功能的采集设备以及采集终端三部分组成，其中系统结构如图2所示。本次设计实现对多种应急监测环境的监测，传感器种类主要包含甲烷传感器、温湿度传感器、CO传感器和粉尘传感器。

温湿度传感器主要选用HG21-1温湿度传感器，敏感元件被监测到环境温度、湿度，输出智能数字信号。[4]该传感器具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。一氧化碳传感器使用的是MQ-7传感器，该传感器主要使用了气敏材料来监测一氧化碳，用的是二氧化锡，它的电导率不高。[5]该种传感器使用的是高温和低温反复测量的方法测试一氧化碳，监测单元的电导率会根据环境中的气体浓度变化而成正比例变化，传感器的电信号输出可以由电导率的改变量对应着气体浓度得到。[6]甲烷传感器选用MQ-4气体传感器。它所使用的气敏材料是电导率低的二氧化锡。传感器吸收了可燃气体后，传感器检测单元的电导率会由于可燃气体浓度的变化而变化，使用转换电路将电导率的量换算为气体浓度值对着的电信号。[7]粉尘传感器采用型号为GP2Y1010AU的传感器，装置里面装有发光二极管和光电晶体管，粉尘中有光通过后，产生了散射现象，之后的光被光电晶体管接收，通过光电转换电路，得到了一定电压值的信号，这个信号和光的大小成比例关系，即是环境的粉尘浓度值。[8]

不同传感器供电分为两种，5V和12V。如表1所示，为了保证传感器供电，在供电的选择上选用12V线性电源。常见的电源有开关电源和线性电源。开关电源利用电感电容充放电的特性配合场管或者三极管开关，异步传输电压电流，实现电能传输，电路结构不同可以实现升压或降压，转换效率高，但是转换的开关频率会产生一定纹波。线性电源利用半导体器件本身的特性调整电压，一般是降压输出。由于是以器件本身消耗能量的方式得到输出，故效率较低，60%以下的转化率很常见，输出功率的线性电源体积一般比开关电源大，但是纹波很小。基于这一点选择使用线性电源，保证在现场采集信号不会引入纹波干扰。本设计中供电选用220V转12V直流电源，并留出接口可以直接12V直流电源。5V供电传感器的供电需要由分压产生。

信号采集设备采用美国国家仪器公司的USB-6009，该板卡是一款高性价比多功能DAQ设备，具备8路AI（14位，48 kS/s），2路AO（150Hz），13路DIO，USB多功能I/O设备该设备具有轻便的机械外壳，采用USB总线供电，非常便于携带。NI USB-6009的原理框图如图3所示，该板卡通过USB总线连接到控制芯片，控制芯片可以实现计数器、模拟量输出和模拟量输入的功能。USB-6009数据采集卡内部只有一个A/D转换器，所以多路选择开关MUX对输入的多路模拟信号进行选择时，一个时刻只能选择一路模拟信号送入ADC。[9]但是由于成本和传感器采集速率的要求，选择此板卡作为采集核心是能够满足需求的。由于所有传感器的输出都是0-5V之内，可以采用板卡直接采集。传感器通过电缆连接到信号采集设备上，中间通过屏蔽、共地等操作，尽量减少噪声与其它影响。

最终的信号流图如图4所示，传感器在接收直流电源供电之后，数据经过导线传输给采集设备，经过采集设备，最后进入数据终端。

2.2 软件方案

数据终端内部包含一个LabVIEW开发的数据采集软件。如图表2所示，列出了该软件的功能。该软件具备权限管理功能，权限管理把用户分为操作員和管理员两类，操作员进行一般操作，管理员除具有操作员的权限外还能够修改用户密码、增/删用户、修改用户名、系统配置等多种权限。软件可以配置各测量参数的物理通道，参数名称、配置各通道的滤波、增益、量程、传感器类型、配置数据采集器的采样速率，并且通道配置信息可复制粘贴。采集的数据也具备根据连续采集数据文件格式存储连续采集数据，也可以用户可在试验中的任意时刻开始存储数据，并以一定的文件名格式另存为数据文件。

考虑到程序结构的可扩展性和延展性，系统将整个软件划分如图5所示的层次结构。用户界面层：实现计算机和用户的交互，数据的显示;管理层：实现对硬件的设置、文件及参数配置进行规划。通信层：为监控终端提供原始数据引擎和状态数据引擎。流程控制层：负责对管理层的信息进行分析，实现用户配置的试验流程按顺序进行。同时依据流程配置信息向硬件驱动层发送指令和提取数据;硬件驱动层：为试验流程控制层和物理层建立标准接口，从输入设备采集数据并发送到流程控制层，从流程控制层接收数据控制输出设备动作。[10]

经过层次结构和软件功能需求，可以得出图6的软件逻辑流程图。

2.3 最终实现

监测平台经过了硬件和软件的研究设计后，组装成系统，之后要经过调试保证系统的稳定可靠。通过系统的调试来对出现的问题一一进行改进。通过在煤矿现场进行实际使用监测，从反馈的数据来看，系统达到了很好的降低成本，实现通用化的要求，达到了之前的设计要求。

3 ?结论

本文提出采用便携式应急监测的通用化测试平台，接收到应急事故现场的相关参数后，可选择性通过以太网通信方式与远程控制中心进行通信。相对于传统的应急监测系统具有数据传输效率高、无丢失、网络建设成本低、无需网络维护、入网方便的优点。

参考文献：

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[4]唐熔.销售企业计算机机房环境监控系统[J].电脑知识与技术，2012，8（14）：3250-3252.

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[6]廖光荣，李慧，包宋建.火灾险情探测智能小车创意设计及实施[J].科技视界，2017（09）：124-125.

[7]黎世静，马军德，刘跃华.粉尘浓度传感器在粮食系统中的应用[J].电子世界，2017（08）：129.

[8]刘博，闫永存.基于单片机的可燃气体测量系统的仿真研究[J].无线互联科技，2017（19）：55-56.

[9]吴小艳，陈红万，聂道华，王威廉.基于USB-6009的多通道ECG数据采集系统设计[J].电子测量技术，2009，32（05）：161-164.

[10]孟萁.基于虚拟仪器的阳极化电压控制器校准装置[J].宇航计测技术，2014，34（05）：30-33.

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