一氧化氮屬于高毒性工業(yè)氣體，廣泛產(chǎn)生于化工合成、冶金冶煉、鍋爐燃燒等工藝過程。氣體無色、擴(kuò)散迅速，短期高濃度暴露極易危害作業(yè)人員健康，同時(shí)是氮氧化物污染物重要組成。當(dāng)前工業(yè)在用固定式 NO 檢測(cè)儀大多為單機(jī)獨(dú)立工作模式，僅支持本地聲光報(bào)警，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，人工巡檢成本高，多區(qū)域規(guī)模化監(jiān)測(cè)管理難度大。

物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)為工業(yè)氣體智能監(jiān)測(cè)提供新思路。依托無線通信、嵌入式采集與云平臺(tái)能夠構(gòu)建分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)氣體參數(shù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)距離傳輸與智能預(yù)警。本文面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求，搭建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)固定式一氧化氮監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，完成終端軟硬件開發(fā)，通過算法優(yōu)化提升復(fù)雜工況測(cè)量精度，并開展性能試驗(yàn)驗(yàn)證，為工業(yè)有毒氣體網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)提供技術(shù)方案。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1. 總體架構(gòu)

系統(tǒng)遵循物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

 1）感知層：現(xiàn)場(chǎng)固定式監(jiān)測(cè)終端。集成 NO 電化學(xué)傳感器、溫濕度采集模塊、主控電路、信號(hào)調(diào)理單元、本地聲光報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)一氧化氮濃度、環(huán)境溫濕度原始信號(hào)采集與預(yù)處理；

 2）網(wǎng)絡(luò)層：通信網(wǎng)關(guān)。支持 RS485 有線、LoRa 無線兩種傳輸方式，適配車間有線布線與開闊廠區(qū)無線組網(wǎng)場(chǎng)景，匯總各終端數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至云端服務(wù)器；

3）應(yīng)用層：云端監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢、濃度趨勢(shì)分析、分級(jí)超限報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)診斷與報(bào)表導(dǎo)出，支持 PC 端與移動(dòng)端訪問。

2. 系統(tǒng)工作流程

設(shè)備上電完成硬件自檢后循環(huán)采集 NO 濃度與環(huán)境參數(shù)，主控單元執(zhí)行濾波與溫度補(bǔ)償算法修正測(cè)量值；判定濃度閾值，超標(biāo)立即觸發(fā)本地聲光報(bào)警；同時(shí)將有效數(shù)據(jù)包上傳網(wǎng)關(guān)至云平臺(tái)。平臺(tái)實(shí)時(shí)解析數(shù)據(jù)，當(dāng)濃度達(dá)到一級(jí)、二級(jí)預(yù)警閾值時(shí)，推送平臺(tái)彈窗、短信告警，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng) + 遠(yuǎn)程雙重預(yù)警。

二、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含主控模塊、氣體感知模塊、通信模塊、報(bào)警模塊與電源模塊。

主控選用工業(yè)級(jí)微控制器，具備較強(qiáng)抗干擾能力，承擔(dān) AD 采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算、外設(shè)控制、通信調(diào)度功能。氣體檢測(cè)單元選用電化學(xué)一氧化氮傳感器，傳感器輸出微弱電流信號(hào)，經(jīng)由放大、濾波調(diào)理電路后送入高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。配套溫濕度傳感器同步采集環(huán)境參數(shù)，用于誤差補(bǔ)償。

通信單元集成 LoRa 無線模塊與 RS485 接口。LoRa 通信傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低，適合大范圍分布式布設(shè)；RS485 總線通信穩(wěn)定，可直接對(duì)接工廠現(xiàn)有 DCS/GDS 系統(tǒng)。報(bào)警單元由警示燈與有源蜂鳴器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化、聽覺預(yù)警。

電源模塊支持 AC220V 工業(yè)市電輸入，內(nèi)置后備供電電路，短時(shí)斷電條件下可持續(xù)工作，保障監(jiān)測(cè)不中斷。硬件電路板增加防雷、濾波防護(hù)電路，適應(yīng)工業(yè)強(qiáng)電磁、粉塵、溫濕度波動(dòng)工況。

三、系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)處理算法

1. 終端軟件流程

嵌入式軟件采用模塊化 C 語言編程。主程序流程：系統(tǒng)初始化→外設(shè)自檢→傳感器數(shù)據(jù)采集→信號(hào)預(yù)處理→補(bǔ)償計(jì)算→濃度閾值判斷→本地報(bào)警控制→數(shù)據(jù)打包上傳→循環(huán)采集。設(shè)置通信心跳包機(jī)制，云端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備在線狀態(tài)，斷線自動(dòng)重連，降低數(shù)據(jù)丟失概率。

2. 數(shù)據(jù)優(yōu)化算法

電化學(xué) NO 傳感器測(cè)量結(jié)果易受溫度變化影響產(chǎn)生零點(diǎn)漂移與靈敏度衰減，現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲也會(huì)造成數(shù)據(jù)抖動(dòng)。本文采用自適應(yīng)加權(quán)濾波 + 分段溫度補(bǔ)償模型進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。自適應(yīng)加權(quán)濾波依據(jù)數(shù)據(jù)波動(dòng)程度動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重，有效濾除隨機(jī)噪聲，同時(shí)保留濃度驟升、驟降等泄漏突變信號(hào)；基于多組高低溫標(biāo)定試驗(yàn)建立溫度修正公式，實(shí)時(shí)對(duì)原始濃度進(jìn)行補(bǔ)償，改善寬溫區(qū)間測(cè)量精度。

3. 云端平臺(tái)功能

云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器搭建，主要功能：

①各點(diǎn)位 NO 濃度實(shí)時(shí)儀表盤與曲線展示；

②按小時(shí)、日、月存儲(chǔ)與調(diào)取歷史數(shù)據(jù)；

③兩級(jí)濃度預(yù)警策略，區(qū)分一般超標(biāo)與危險(xiǎn)泄漏；

④預(yù)警事件自動(dòng)存檔，記錄時(shí)間、位置、濃度；

⑤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) Excel 報(bào)表導(dǎo)出，便于安全生產(chǎn)臺(tái)賬管理。

四、系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

搭建標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定試驗(yàn)平臺(tái)與模擬工況環(huán)境，從測(cè)量精度、響應(yīng)特性、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性開展測(cè)試。

1. 精度測(cè)試

通入多種梯度標(biāo)準(zhǔn) NO 氣體進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)滿量程測(cè)量誤差≤±3% FS，重復(fù)性誤差小于 1.5%，滿足工業(yè)安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求。

2. 響應(yīng)性能測(cè)試

快速通入標(biāo)準(zhǔn)氣體并切斷氣源進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，系統(tǒng)濃度上升響應(yīng)時(shí)間≤2 s，可以快速捕捉瞬時(shí)泄漏，解決傳統(tǒng)儀器響應(yīng)滯后問題。

3. 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

在 - 20～60 ℃、相對(duì)濕度 30%～90% RH 區(qū)間開展溫濕度循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)過算法補(bǔ)償后，測(cè)量值未出現(xiàn)明顯漂移，具備良好環(huán)境適應(yīng)能力。

4. 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行

將監(jiān)測(cè)終端部署于化工車間連續(xù) 30 d 試運(yùn)行。設(shè)備在線率≥99.5%，無頻繁斷聯(lián)、誤報(bào)警現(xiàn)象，分級(jí)預(yù)警動(dòng)作可靠，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期不間斷監(jiān)測(cè)需求。

五、結(jié)論

山盾科技研制物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下固定式一氧化氮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，融合電化學(xué)傳感、嵌入式控制與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)體系。通過自適應(yīng)濾波與溫度補(bǔ)償算法削弱環(huán)境干擾，提升復(fù)雜工況測(cè)量穩(wěn)定性。測(cè)試證明系統(tǒng)測(cè)量精度高、響應(yīng)迅速、部署方式靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化氮濃度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與多級(jí)預(yù)警。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力等廠區(qū)有毒氣體泄漏監(jiān)控。后續(xù)研究可引入時(shí)序預(yù)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)濃度趨勢(shì)預(yù)判，并擴(kuò)展多氣體傳感器陣列，實(shí)現(xiàn) NO、NO?、SO?等污染物一體化同步監(jiān)測(cè)。