一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统的制作方法

本实用新型涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统。

背景技术：

油轮清舱作业是油轮进厂修理的一项重要安全保障工作，安全有效地置换油舱内可燃气体和清除油舱内的可燃物质(沉底残油渣)，保证油舱达到船舶进厂修理必须具备的安全标准是油轮清舱作业的主要任务。然而清舱作业是一项“高危”作业项目，防火、防爆措施要求很高，稍有不慎，极易发生火灾和爆炸事故。

清舱作业属于受限空间项目，具有通风条件差、作业面窄、作业环境复杂和容易造成有毒有害气体积聚等特征。不采取相应的安全措施，清舱作业存在中毒、窒息、火灾、爆炸等事故隐患，一旦发生意外，施救非常困难，容易造成群死群伤事故。清舱作业作业完工后，船舶进厂进行修理时，由于船舶构件上、管路等中残余油品依然会挥发造成安全隐患，所以必须定期进行人工测氧测爆，但是人工检测在及时性、有效性和可靠性等方面受到人员因素的影响，很有可能达不到施工所需的要求。

中国专利CN204855494U公开了一种基于ZigBee无线网络的船舶多气体浓度监测系统，包括气体监测器、监控中心和Zigbee无线网络，气体监测器至少设置一个，各个气体监测器和监控中心均与Zigbee无线网络连接，气体监测器包括气体传感器、信号调理模块、按键模块、显示模块、声光报警模块、处理器和电源模块；该系统采用Zigbee无线网络技术，在有效降低布线成本以及布线难度的同时，实现对多个监测点、多种气体浓度信息的远程监测和报警，从而实现及时感知、控制和防范险情，为船舶的安全运行提供有效的保障。但该现有技术采用ZigBee无线网络，芯片成本高、外围器件及射频器件成本也高，传输范围仅，长距离传输需要扩充节点，对于油轮维修这种工作环境对成本敏感且需要大量节点而言，其成本负担较高，而且组网所耗费的时间和资源也高；此外，目前国内Zigbee技术主要采用2.5G频率，其衍射能力弱，穿墙能力弱，也会让信号大打折扣。

基于上述情况，有必要研发一种低成本、高效率、全天候的油轮清舱作业微危险气体监测系统。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的油轮清仓作业环境危险气体所带来的安全隐患问题，本实用新型提供了一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统。

本实用新型的技术方案是：一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统，其特征在于：所述系统包括采用无线通信的无线多气体监测终端、无线数据中继器和上位机监控平台；所述无线多气体监测终端采用整体防爆设计；所述无线多气体监测终端对多种气体浓度进行采集、监测、独立报警，将定时采集的气体浓度数据通过无线链路主动上传到无线数据中继器；所述无线数据中继器用以连接设备与设备之间的信号传输；所述上位机监控平台接收无线数据中继器传来的数据并进行处理。

在此基础上，所述无线多气体监测终端包括多种气体传感器、与多种气体传感器相连接的多个信号采集处理模块、与信号采集处理模块连接的信号主控制器；所述信号主控制器还连接有无线通信模块、信号灯、报警器、电池。

所述无线多气体监测终端具有单独报警功能，一旦任何一个气体浓度超过报警值，即发出报警。

在此基础上，所述多种气体传感器至少包括一氧化碳、硫化氢、氧气和可燃气的气体传感器；所述信号采集处理模块放大气体传感输出的差分小信号并达到信号主控制器的输入电压的采集范围；所述信号主控制器完成气体浓度数据的采集、校正补偿和系统控制。

在此基础上，所述系统采用ADC转换电路、SimpleTI协议进行无线通信，所述无线通信采用433MHz频段进行数据传输；所述无线多气体监测终端和所述无线数据中继器外壳上设置有用以固定安装在船舱上的磁铁。

在此基础上，无线多气体监测终端与无线数据中继器之间、无线数据中继器与上位机监控平台之间的数据传输都是双向通讯的。

在此基础上，所述无线数据中继器置于油舱外侧；所述无线数据中继器包括用以接收多个无线多气体监测终端信号的中继无线收发器、进行数据传输的无线传输系统、中继主控制器；所述无线传输系统为PA增益天线、或/和GSM或CDMA或LTE、或/和无线局域网。

在此基础上，所述无线数据中继器不仅包括数据中继单元，还集成了高分贝、高亮度的声光报警装置；以及集成了可以显示实时参数、报警内容等信息的高清显示屏；还集成了报警消音、消闪及复位的功能。这些都为在油舱附近现场处理相关情况提供了方便。

为了最大限度提高无线多气体监测终端与无线数据中继器的使用时间，本实用新型还采取了定时唤醒的技术进行数据采样，数据采样周期与数据采样的间隔期都是可以利用软件在上位机进行连续可调的设置的。这样可以最大限度提高设备一次充电后的待机时间，减少频繁充电带来的不便利性，保证我们的设备一次充电可以连续使用15天以上。

在此基础上，所述无线多气体监测终端可以利用软件进行自由编码，上位机可以清楚显示每个无线多气体监测终端在一条船所处的舱室、位置、状态如包括信号状态、数据状态、报警状态等，还可以将在厂船舶组网对所有在厂船舶的油舱进行实时监测。

在此基础上，与油舱通风系统进行通讯，开发配套软件，利用实时监测结果动态调节通风系统投入风机的数量、转速，尤其是风机采用变频控制，最大程度达到节能目的，提高作业的经济效益。

在此基础上，所述上位机监控平台包括平台无线收发器、声光报警器材、平台主控制器、屏幕显示装置；所述屏幕显示装置能实现动态曲线显示、历史数据查询、报警提示的功能。

在此基础上，所述系统能有效监测作业环境中的危险气体，当气体浓度超过报警设置限制时发出报警，现场作业人员、监控中心、云端能同时收到信号。

在此基础上，所述无线多气体监测终端1的记录间隔时间为1s；所述一氧化碳气体传感器的监测范围为0～500ppm、分辨率≤1ppm、响应时间≤40s；所述硫化氢气体传感器的监测范围为0～100ppm、分辨率≤1ppm、响应时间≤35s；所述氧气传感器的监测范围为0～30％VOL、分辨率≤0.1％VOL、响应时间≤15s；所述可燃气传感器的监测范围为0～100％LEL、分辨率≤1％LEL、响应时间≤15s。

在此基础上，所述系统还包括预警系统，所述预警系统根据环境气体的危险级别和浓度限值设置不同的预警声光模式，当监测数据达到设定报警值时，预警系统会自动启动，决定预警级别及范围，并根据系统设定，启动风机系统，该系统能根据监测结果自动智能选择增减风机的台数，通过全部开启风机、部分开启风机、全部关闭风机、部分关闭风机等操作，实现动态控制开启/关闭风机来增/减风机的台数，实现智能节能。

在此基础上，所述屏幕显示装置为PC端、平板或手机端。

在此基础上，所述电池为可充电电池。其中，无线多气体监测终端使用的是10000mAh的可充电锂电池；所述无线中继器放置在油舱外侧，所述无线中继器无线中继器内置有20000mAh的可充电锂电池，同时在无线中继器上设计有交流电源接口方便使用外部电源。

在此基础上，所述系统还包括云平台，所述云平台包括控制参数设定、云分析系统、服务器系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型所提供的智能监测预警系统，能实现同时对多个监测点、多种气体浓度信息进行远程监测和报警，当气体浓度超过报警设置限制时发出报警，现场作业人员、监控中心、云端能同时收到信号，从而实现危情的及时排除，保证作业人员的操作安全。

(2)本实用新型所提供的智能监测预警系统，监测终端不仅实现独立的气体泄漏报警功能，还将定时采集的气体浓度通过433MHz无线链路主动上传到无线中继器，上位机通过无线接收终端接收中继器传来的数据，进而实现动态曲线显示、历史数据查询和报警等功能。

(3)本实用新型所提供的智能监测预警系统，通过将传感器采集的信号放大、滤噪、线性化校正、补偿处理等手段，保证了较高的测量精度，进而保证了控制系统的稳定性和实时性。

(4)本实用新型所提供的智能监测预警系统，无线多气体监测终端与无线数据中继器之间是通过433MHz无线技术传输的，与传统方案的WiFi或zigbee相比，433MHz技术的无线信号穿透性强，传输距离更远，在船舱复杂电磁环境中的绕射性和穿墙性更好，同时采用了成熟的simpleTI协议进行无线通信，实现各个节点之间的快速组网；而无线数据中继器与上位机监控平台之间的数据传输采用的是4G的公共通信网络，有手机信号的地方都能设置上位机进行实时监测，操作灵活，方便快捷。

(5)本实用新型所提供的智能监测预警系统，通过主机统一配置报警值，一旦任何一个气体浓度超过报警值，系统可以立即发出报警：360度信号灯闪烁和高分贝喇叭发出报警声，并通过无线通信把报警信号发送出去，方便控制台的统一管理。

(6)本实用新型所提供的智能监测预警系统，可同时接收至少16个监测终端的信号，并通过无线数据中继器把数据从一个屏蔽的环境中接收出来，发送到更利于无线信号传输的环境中去，同时可借助公用网络(如GSM/CDMA,或4G网络)实现长距离传输远程控制。

(7)本实用新型所提供的智能监测预警系统，包括PC端软件设计，方便用户对各个船舱的数据进行统一监控，报警和历史数据存储，可实现1个月以内的历史数据保存和报表输出功能。本系统还可以统一或者单独设定各个节点气体浓度的报警值，当气体浓度超过这个值时，平台主控制器上的声光报警器会同步报警提示，并在软件上显示报警船舱的位置和气体浓度值的大小。

(8)本实用新型所提供的智能监测预警系统，能耗低，可采用可充电电池供电，一次充满电即可连续工作15天。而且，系统电量低时会有指示灯显示，并无线上传控制台发出提醒。还可以使用外接12V电源进行供电，同时给系统上的可充电电池进行充电。

(9)本实用新型所提供的智能监测预警系统，采用可移动式设计，方便携带，外壳上设计装有强磁铁，可以固定安装在船舱的合适位置。

(10)本实用新型所提供的智能监测预警系统，尤其适合在油轮的油舱环境中工作，油舱钢制结构特别复杂，电磁屏蔽效应特别严重，对数据无线传输的要求非常高，需要通过像本实用新型中的硬件、软件的完美配合才能达到良好的通讯效果。

附图说明

图1是本实用新型的无线智能监测预警系统结构组成示意图；

图2是本实用新型的无线多气体监测终端的结构组成示意图；

图3是本实用新型的无线数据中继器的结构组成示意图；

图4是本实用新型的上位机监控平台的结构组成示意图；

图中附图标记如下：1、无线多气体监测终端；2、无线数据中继器；3、上位机监控平台；

101、气体传感器；102、信号采集处理模块；103、信号主控制器103；104、无线通信模块；105、信号灯；106、报警器；107、电池107；

201、中继无线收发器；202、无线传输系统；203、中继主控制器；

301、平台无线收发器；302、声光报警器；303、平台主控制器；304、屏幕显示装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统，包括采用无线通信的无线多气体监测终端1、无线数据中继器2和上位机监控平台3；充分考虑到无线多气体监测终端实际使用的危险环境，无线多气体监测终端1采用整体防爆设计；无线多气体监测终端1对多种气体浓度进行采集、监测、独立报警，将定时采集的气体浓度数据通过无线链路主动上传到无线数据中继器2；无线数据中继器2用以连接设备与设备之间的信号传输；上位机监控平台3接收无线数据中继器2传来的数据并进行处理。

如图2所示，无线多气体监测终端1包括多种气体传感器101、与多种气体传感器101相连接的多个信号采集处理模块102、与信号采集处理模块102连接的信号主控制器103；信号主控制器103还连接有无线通信模块104、信号灯105、报警器106、电池107；无线多气体监测终端1具有单独报警功能，一旦任何一个气体浓度超过报警值，即发出报警。

多种气体传感器101至少包括一氧化碳、硫化氢、氧气和可燃气的气体传感器；信号采集处理模块102放大气体传感101输出的差分小信号并达到信号主控制器103的输入电压的采集范围；信号主控制器103完成气体浓度数据的采集、校正补偿和系统控制。

本系统采用ADC转换电路、SimpleTI协议进行无线通信，无线通信采用433MHz频段进行数据传输；无线多气体监测终端1和无线数据中继器2外壳上设置有用以固定安装在船舱上的磁铁。

如图3所示，本系统的无线数据中继器2置于油舱外侧；无线数据中继器2可以无线接收至少16个无线多气体监测终端1的信号，再通过另一个带PA增益的天线把数据发送出去，此天线可以使用带吸盘的延长天线，方便安装到更易于数据传输的位置，实现300米以内的有效数据传输，也可利用公用网络(如GSM/CDMA,或4G网络实现长距离传输)或者结合现有船厂广泛布点的人员定位网络系统进行传输。

如图4所示，上位机监控平台3包括平台无线收发器301、声光报警器材302、平台主控制器303、屏幕显示装置304；屏幕显示装置304能实现动态曲线显示、历史数据查询、报警提示的功能。

本系统能有效监测作业环境中的危险气体，当气体浓度超过报警设置限制时发出报警，现场作业人员、监控中心、云端能同时收到信号。

本系统中，无线多气体监测终端1的记录间隔时间为1s；一氧化碳气体传感器的监测范围为0～500ppm、分辨率≤1ppm、响应时间≤40s；硫化氢气体传感器的监测范围为0～100ppm、分辨率≤1ppm、响应时间≤35s；氧气传感器的监测范围为0～30％VOL、分辨率≤0.1％VOL、响应时间≤15s；可燃气传感器的监测范围为0～100％LEL、分辨率≤1％LEL、响应时间≤15s。

本实施例中的电池为具有防爆功能的可充电电池，并有防爆设计。其中，无线多气体监测终端使用的是10000mAh的可充电锂电池；所述无线中继器无线中继器内置有20000mAh的可充电锂电池，同时在无线中继器上设计有交流电源接口方便使用外部电源。屏幕显示装置304为PC端、平板或手机端。

本实用新型所提供的智能监测预警系统，能实现同时对多个监测点、多种气体浓度信息进行远程监测和报警，当气体浓度超过报警设置限制时发出报警，现场作业人员、监控中心、云端能同时收到信号，从而实现危情的及时排除，保证作业人员的操作安全。

本实用新型所提供的智能监测预警系统，监测终端不仅实现独立的气体泄漏报警功能，还将定时采集的气体浓度通过433MHz无线链路主动上传到无线中继器，上位机通过无线接收终端接收中继器传来的数据，进而实现动态曲线显示、历史数据查询和报警等功能。

实施例2

参考图1-图4所示，一种油轮清舱作业环境的无线智能监测预警系统，包括采用无线通信的无线多气体监测终端1、无线数据中继器2和上位机监控平台3；无线多气体监测终端1采用整体防爆设计；无线多气体监测终端1对多种气体浓度进行采集、监测、独立报警，将定时采集的气体浓度数据通过无线链路主动上传到无线数据中继器2；无线数据中继器2用以连接设备与设备之间的信号传输；上位机监控平台3接收无线数据中继器2传来的数据并进行处理。

与实施例1的不同之处在于：本系统还包括预警系统，预警系统根据环境气体的危险级别和浓度限值设置不同的预警声光模式，当监测数据达到设定报警值时，预警系统会自动启动，决定预警级别及范围，并根据系统设定，启动风机系统，该系统能根据监测结果自动智能选择增减风机的台数，通过全部开启风机、部分开启风机、全部关闭风机、部分关闭风机等操作，实现动态控制开启/关闭风机来增/减风机的台数，实现智能节能。

除此之外，该系统还包括云平台，云平台包括控制参数设定、云分析系统、服务器系统。

本实用新型所提供的智能监测预警系统，监测终端不仅实现独立的气体泄漏报警功能，还将定时采集的气体浓度通过433MHz无线链路主动上传到无线中继器，上位机通过无线接收终端接收中继器传来的数据，进而实现动态曲线显示、历史数据查询和报警等功能。

本实用新型所提供的智能监测预警系统，能耗低，可采用可充电电池供电，一次充满电即可连续工作15天。而且，系统电量低时会有指示灯显示，并无线上传控制台发出提醒。还可以使用外接12V电源进行供电，同时给系统上的可充电电池进行充电。

本实用新型所提供的智能监测预警系统，采用可移动式设计，方便携带，外壳上设计装有强磁铁，可以固定安装在船舱的合适位置。

上述说明示出并描述了本实用新型的优选实施例，如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。