摘 要：針對腐蝕性氣體給館藏文物、檔案文件和計算機數(shù)據(jù)等帶來的損害，提出一種基于網(wǎng)絡的腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用嵌入式和快速以太網(wǎng)技術，通過特殊的化學濾料，對工業(yè)和商業(yè)活動中產(chǎn)生的散布在空氣中的低濃度腐蝕性、惡臭和有毒氣體，具有遠程監(jiān)測、自動控制和有效凈化的功能。

關鍵詞：網(wǎng)絡；腐蝕性氣體；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP277

近年來，隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，空氣污染問題日益嚴重，散布在空氣中的腐蝕性氣體如：二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、甲醛（HCHO）、氨（NH2）等，對珍貴文物的破壞、數(shù)據(jù)中心核心計算機電子電氣設備的腐蝕，已到了非常嚴重的程度。據(jù)國家文物局2002至2005年期間，委托中國文物研究所組織專家對全國館藏文物腐蝕損失進行調(diào)研統(tǒng)計顯示[1]，全國共有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害。初步估算：如不采取有效措施，有可能造成數(shù)以億元的損失。另外，歐盟RoHs指令[2]的實施，電路板廠家多用浸銀替代原來的鍍鉛工藝，使得電子電器設備抗腐蝕的能力大大下降，數(shù)據(jù)中心核心計算機電子電氣設備受腐蝕氣體損害非常嚴重。

腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)設計受到了人們的廣泛關注。目前，在市面上出現(xiàn)了一些腐蝕性氣體的凈化設備，例如：美國PURAFIL公司，AMERICAN AIR FILTER公司，加拿大CIACUL-AIRE公司生產(chǎn)的空氣凈化器。這些產(chǎn)品設計大都針對空氣中顆粒狀的塵埃物、細菌以及甲醛、苯等有害氣體，而且缺乏遠程監(jiān)測和控制功能。對此，我們提出了基于網(wǎng)絡的低濃度腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，采用嵌入式和快速以太網(wǎng)技術[3]，通過特殊的化學濾料，對空氣中低濃度腐蝕性有害氣體進行遠程監(jiān)測、智能控制，使室內(nèi)空氣保持恒定潔凈。

2 低濃度腐蝕性氣體監(jiān)控的關鍵技術

2.1 利用化學原理凈化低濃度腐蝕性氣體

傳統(tǒng)的空氣凈化基于物理吸附原理[4][5]，即利用吸附劑的多孔性對污染物暫存收集，這存在兩個嚴重弊端：第一、吸附容易達到飽和；第二、未改變污染物的基本結構和性質(zhì)，容易造成二次污染。我們采用特殊的化學濾料，通過化學過濾原理凈化腐蝕性氣體，這與傳統(tǒng)的空氣吸附劑單純物理吸附完全不同，其工作原理為：首先，吸附劑通過物理吸附把腐蝕性氣體作為污染物吸附收集，然后吸附劑中的活性成分同收集來的污染物分子發(fā)生化學反應，轉(zhuǎn)化為一種無毒、無味、無腐蝕性的新物質(zhì)，這種化學轉(zhuǎn)化使得吸附劑釋放更多的孔隙，進一步增強其吸附能力，從而徹底清除掉空氣中的污染物。

實現(xiàn)上述過程的關鍵在于濾料選擇、制備及其結構設計，我們采用特種活性氧化鋁為載體[6]，經(jīng)過高溫溶液加壓、減壓等工序制作，具有很強的化學吸附能力。根據(jù)袪除目標氣體，選擇對應的化學試劑以層狀結構附坐在氧化鋁上，例如：利用高錳酸鉀的強氧化性，將空氣中的具有還原性的有害氣體氧化分解，利用磷酸袪除氨氣，硫代硫酸鈉袪除氯氣等，從而達到凈化空氣的目的。該凈化方法將有毒氣體化學分解為無毒固體，不會發(fā)生二次污染，具有安全，節(jié)能，環(huán)保等優(yōu)點；可用于過濾多種目標氣體，用后易于處理，而且可分析出精確的剩余使用壽命?；瘜W濾料這種獨特的結構也決定了這種化學轉(zhuǎn)化過程不會有高溫或燃燒等現(xiàn)象發(fā)生，具有持續(xù)、穩(wěn)定、高效、即使在低溫或飽和的狀態(tài)下也不可逆的優(yōu)點。另外，凈化設備采用自適應調(diào)制編碼技術控制濾料和催化劑，在循環(huán)風速1.5m/s時形成充分化學反應，從而達到完全過濾腐蝕氣體的目的。

2.2 分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計

存在多種目標氣體時，不同的氣體密度不同，所以它們在室內(nèi)的分布不同，探測器、處理機和凈化機一體化的傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)對該情況過濾效率低，不利于多種低濃度腐蝕性氣體的有效凈化。對此，我們提出分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計。具有不同功能的探測器分布于室內(nèi)不同位置，每種探測器的通信協(xié)議不同，其探測結果經(jīng)處理機收集處理后，將不同協(xié)議封裝成標準的協(xié)議，將收集數(shù)據(jù)傳至上位監(jiān)控主機分析、展現(xiàn)，并根據(jù)報警閥值進行聯(lián)動控制化學過濾氣體凈化設備的啟動和停止。系統(tǒng)可以隨意根據(jù)客戶需要定制，能模擬現(xiàn)場場景，讓監(jiān)控操作人員直觀的了解當前環(huán)境的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理平臺、氣體凈化器、氣體探測器、客戶端、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、管理信息化及決策分析系統(tǒng)、區(qū)域監(jiān)測中心等部分構成，如圖2所示，是一個基于客戶機/服務器模型[7]的系統(tǒng)，客戶端經(jīng)過身份驗證，訪問管理平臺服務器提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，對監(jiān)測數(shù)據(jù)指標具有增加、修改和刪除的權限。下面分別介紹系統(tǒng)的主要功能模塊。

3.1 系統(tǒng)管理平臺

系統(tǒng)管理平臺負責協(xié)調(diào)其它部件的工作，生成和維護整個系統(tǒng)的日志文件；提供系統(tǒng)用戶管理功能，包括添加和刪除用戶；撤銷增加或撤銷某用戶對某探測器的控制權；監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)，在網(wǎng)絡設備發(fā)生故障時及時報告系統(tǒng)管理者；監(jiān)測系統(tǒng)每個部件的運行狀態(tài)，供管理者參考。

3.2 探測器

探測器負責采集藏品庫房內(nèi)的空氣污染物（二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、可吸入顆粒），照度、溫濕度及建筑材料污染物（甲醛、氨、苯、氡、揮發(fā)性有機化合物）等需要監(jiān)測的環(huán)境指標，系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集是夸平臺的，采用主流SCADA系統(tǒng)提供的OPC Server[8]，并通過OPC技術實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)采集。

3.3 氣體凈化機

氣體凈化機采用模塊化設計，負責過濾有害氣體。氣體凈化機配置多個分離式濾料箱，可針對不同的污染氣體選擇不同的化學濾料，能針對空氣中存在腐蝕氣體種類的不同安放相應的化學濾料，設備采用下進上出，定量定速，確保風速在設備內(nèi)處于1.5m/s，以充分完成化學反應，達到凈化腐蝕氣體的目的，設備外殼采用雙層鋼板，中夾保溫層的設計，在外接新風時能確保將能耗降到最低。

3.4 多個客戶端

客戶端提供用戶一個監(jiān)控平臺，其功能為：數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢、數(shù)據(jù)導出，可聯(lián)動、定時和手動控制空氣凈化系統(tǒng)的工作；將數(shù)據(jù)采集過來、分析、展現(xiàn)，并根據(jù)報警閥值進行聯(lián)動控制，為第三方系統(tǒng)提供查詢服務。

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

采用TCP/IP協(xié)議[9]，通過web網(wǎng)絡傳輸采集數(shù)據(jù)，對采集的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行分類加工處理和處理后存儲到數(shù)據(jù)庫。同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的備份保護及信息安全防護。使用數(shù)據(jù)庫技術，定義數(shù)據(jù)的內(nèi)容，存放地址等信息，便于上層軟件的訪問和處理。本系統(tǒng)以SQL SERVER數(shù)據(jù)庫[10]完成數(shù)據(jù)處理收集工作，通過對采集數(shù)據(jù)的規(guī)范，為上層提供接口。

3.6 管理信息化與決策分析系統(tǒng)

管理信息化與決策分析系統(tǒng)負責對每個局域網(wǎng)點采集的數(shù)據(jù)進行分類、計算，分析探測可能產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計誤差，據(jù)此獲得每個局域網(wǎng)點空氣質(zhì)量的變化狀態(tài)和隨時間演化的特征；另外，把多個網(wǎng)點的空氣質(zhì)量情況進行匯總、綜合、比較和分析，獲得設計方案的最終評價結果。根據(jù)該分析結果，以后系統(tǒng)升級可以按此對相應的模塊進行改造，由于系統(tǒng)的設計是在同一規(guī)劃下分層對模塊單獨進行建設、給上一層提供接口，因此，改造可以在每一層內(nèi)進行，而不必重塑整個系統(tǒng)。

3.7 區(qū)域監(jiān)測中心

使用電腦、手機、平板等設備通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)遠程進行監(jiān)控和查詢報警事件。對監(jiān)測數(shù)據(jù)具有大屏幕顯示、歷史查詢與分析、實時監(jiān)控與趨勢分析、報警展示與確認以及報表生成與打印功能。

4 結束語

基于現(xiàn)代傳感技術、測控技術、自動控制技術，本文設計了一個完整的腐蝕性氣體監(jiān)控系統(tǒng)，可用于博物館、銀行、檔案館、圖書館、數(shù)據(jù)中心等，該系統(tǒng)使管理工作人員實時掌握文物、計算機等所處的環(huán)境狀況，分布式遠程采集，中央集中監(jiān)控，以多種手段進行科學分析，并將分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒅噶睿瑢υO備進行控制和調(diào)節(jié)，變?nèi)斯す芾頌樾畔⒒芾?、粗放管理為精準控制，達到保護貯藏場所的微環(huán)境要求，對文物、計算機數(shù)據(jù)等具有重要的預防性保護作用。

參考文獻：

[1]文物局：中國館藏文物腐蝕損失每年數(shù)數(shù)以億元計[N].京華時報，2011，11，19.

[2]Directive 2011/65/EU of the European Parliament and of the Council of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment.

[3]龔小瓊.快速以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)技術[J].科技信息，2008（31）.

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[9]周炎濤，李立明.TCP/IP協(xié)議下網(wǎng)絡編程技術及其實現(xiàn)[J].航空計算技術，2002（03）.

[10]祁新安，侯清江.SQL Server數(shù)據(jù)庫的運用研究[J].制造業(yè)自動化，2010（14）.

作者簡介：劉歸華（1984-），女，湖南漣源人，助教，文學學士，研究方向：計算機科學。

作者單位：長沙理工大學 計算機與通信工程學院，長沙 410004