防爆氣象站技術方案 柏峰【BF-FB】一、項目背景 在石油、化工、煤礦、燃氣等高危行業(yè)的生產現場，易燃易爆物質遍布，環(huán)境中潛在的爆炸風險時刻威脅著生產安全與人員生命健康。氣象條件的變化是引發(fā)安全事故的重要誘因之一，高溫可能加速可燃物質揮發(fā)，大風會擴大泄漏氣體的擴散范圍，高濕度可能導致設備絕緣性能下降，這些都可能引發(fā)火災、爆炸等惡性事故。
傳統的氣象監(jiān)測設備由于缺乏防爆設計，在高危環(huán)境中使用時本身就可能成為點火源，無法滿足安全生產需求。為了實現高危環(huán)境下氣象數據的精準監(jiān)測與安全管理，構建一套專業(yè)的防爆氣象站至關重要。該氣象站能夠在易燃易爆環(huán)境中穩(wěn)定運行，實時采集關鍵氣象要素，為安全決策提供科學依據，有效降低事故發(fā)生概率，保障高危行業(yè)的安全生產。

二、系統架構
2.1 感知層
感知層是防爆氣象站的數據采集核心，負責在危險環(huán)境中精準采集各類氣象要素數據，所有設備均具備防爆性能。
溫度傳感器：采用隔爆型設計，測量范圍 - 40℃-80℃，精度 ±0.3℃，能夠實時監(jiān)測環(huán)境溫度變化，及時發(fā)現溫度異常升高情況，為設備降溫控制提供數據支持。
濕度傳感器：具備本安防爆認證，測量范圍 0%-100% RH，精度 ±3% RH，實時監(jiān)測空氣濕度，當濕度超出安全范圍可能影響設備絕緣或導致物質吸濕變質時發(fā)出預警。
風速風向傳感器：采用隔爆外殼，風速測量范圍 0-60m/s，精度 ±0.3m/s；風向測量范圍 0°-360°，精度 ±3°，準確監(jiān)測風場變化，為判斷可燃氣體擴散方向和范圍提供依據。
氣壓傳感器：防爆等級達到 Ex dⅡCT6 Gb，測量范圍 300-1100hPa，精度 ±0.3hPa，輔助分析天氣變化趨勢，為雷雨等災害性天氣預警提供數據。
雨量傳感器：采用防爆型翻斗式雨量計，分辨率 0.2mm，精度 ±2%，監(jiān)測降水量及降水強度，為防汛防潮措施制定提供參考。
2.2 傳輸層
傳輸層負責將感知層采集的氣象數據安全、穩(wěn)定地傳輸至數據處理中心，所有傳輸設備和線路均滿足防爆要求。
傳輸設備：選用防爆型無線傳輸模塊，支持 LoRa、NB-IoT 等低功耗廣域網技術，在危險環(huán)境中實現遠距離數據傳輸，傳輸距離可達數公里。對于數據傳輸要求較高的場景，可采用防爆型 4G 模塊，確保數據實時傳輸。
傳輸線路：采用防爆電纜進行有線連接，電纜接頭處使用防爆密封接頭，防止易燃易爆氣體進入設備內部，保障數據傳輸過程的安全性。
數據加密與完整性保障：傳輸過程中對數據進行加密處理，采用 AES 加密算法，防止數據被竊取或篡改。同時具備斷點續(xù)傳功能，當網絡中斷恢復后，自動補發(fā)未傳輸成功的數據，確保數據的完整性。
2.3 數據處理層
數據處理層對傳輸來的氣象數據進行存儲、分析和處理，為安全決策提供支持。
數據存儲：采用防爆型工業(yè)服務器，配備大容量硬盤，對采集的氣象數據進行長期存儲。數據庫采用關系型數據庫與時序數據庫相結合的方式，關系型數據庫存儲設備信息、預警記錄等結構化數據，時序數據庫存儲海量的氣象時序數據，支持高效查詢和分析。
數據清洗與校準：對原始數據進行預處理，去除異常值、噪聲數據和重復數據。通過與標準氣象數據對比和傳感器校準曲線修正，提高數據精度，確保數據的可靠性。
數據分析與建模：運用大數據分析技術，建立氣象要素與安全風險的關聯模型。分析溫度、濕度、風速等因素對可燃物質特性、設備性能的影響規(guī)律，為安全風險評估和預警提供算法支持。
2.4 應用層
應用層為用戶提供數據展示、預警管理和決策支持等功能，滿足高危行業(yè)安全生產管理需求。
監(jiān)控中心平臺：具備防爆數據展示界面，實時顯示各監(jiān)測點的氣象數據，以圖表、曲線等形式直觀呈現數據變化趨勢。支持歷史數據查詢、統計分析和報表生成，為安全管理提供數據依據。
預警管理系統：根據預設的安全閾值和風險模型，對氣象數據進行實時監(jiān)測，當數據超出閾值時觸發(fā)預警。預警級別分為一般預警、較重預警、嚴重預警，分別采取不同的通知方式。
移動 APP：為管理人員和運維人員提供移動端訪問功能，支持實時查看氣象數據、接收預警信息、查詢歷史數據等操作，方便用戶隨時隨地掌握危險環(huán)境的氣象狀況。
三、功能設計
3.1 實時氣象數據監(jiān)測
系統能夠實時采集溫度、濕度、風速、風向、氣壓、雨量等氣象要素數據，并在監(jiān)控中心平臺和移動 APP 上實時展示。數據采樣頻率可根據需求設置，一般為 1-5 分鐘 / 次，確保及時掌握氣象條件變化情況。
3.2 多級別預警功能
根據氣象數據與安全閾值的對比結果，實現多級別預警。當溫度接近可燃物質燃點時，發(fā)出高溫嚴重預警；當風速達到可能加速氣體擴散的臨界值時，發(fā)出大風較重預警；當濕度異?？赡苡绊懺O備安全時，發(fā)出濕度一般預警等。預警信息通過聲光報警、平臺消息、短信、APP 推送等多種方式通知相關人員。
3.3 歷史數據查詢與分析
系統具備強大的歷史數據存儲和查詢功能，用戶可按照時間范圍、氣象要素類型等條件查詢歷史數據。支持生成日報、周報、月報等統計報表，對氣象數據進行趨勢分析、極值分析、相關性分析等，為安全管理策略制定和事故追溯提供數據支持。
3.4 設備狀態(tài)監(jiān)測與管理
實時監(jiān)測防爆氣象站各設備的運行狀態(tài)，包括傳感器是否正常工作、傳輸模塊信號強度、設備電池電量等。當設備出現故障或異常時，自動發(fā)出設備故障預警，提醒運維人員及時進行維修和更換，確保系統持續(xù)穩(wěn)定運行。
3.5 與安全管理平臺聯動
支持與企業(yè)的安全生產管理平臺無縫對接，將氣象數據與可燃氣體濃度、設備運行參數等數據進行聯動分析。當氣象數據與其他安全數據共同達到風險條件時，觸發(fā)綜合安全預警，為應急處置提供全面的數據支持。
3.6 遠程參數配置
用戶可通過監(jiān)控中心平臺或移動 APP 對防爆氣象站的參數進行遠程配置，如調整數據采集頻率、修改預警閾值、設置傳輸周期等，無需現場操作，提高系統管理的便利性和安全性。
四、硬件選型
4.1 傳感器選型
溫度傳感器：選用隔爆型 PT100 溫度傳感器，具備 Ex dⅡCT6 Gb 防爆認證，響應速度快，穩(wěn)定性高，適合在易燃易爆環(huán)境中長期使用。
濕度傳感器：采用本安型 SHT35 濕度傳感器，通過 Ex iaⅡCT4 Ga 認證，測量精度高，抗干擾能力強，能夠在惡劣環(huán)境中準確測量濕度。
風速風向傳感器：選用防爆型三杯式風速傳感器和單翼式風向傳感器，外殼采用鑄鋁材質，防爆等級 Ex dⅡCT6，防護等級 IP65，能夠抵御惡劣環(huán)境的侵蝕。
氣壓傳感器：采用防爆型 BMP388 氣壓傳感器，具備隔爆外殼，測量精度高，功耗低，適合長期連續(xù)監(jiān)測。
雨量傳感器：選用防爆型翻斗式雨量計，承雨口徑 200mm，防爆等級 Ex dⅡBT4，具備防堵塞設計，確保在多雨環(huán)境中正常工作。
4.2 數據采集與傳輸設備
數據采集器：選用防爆型數據采集器，具備多路傳感器接口，支持多種傳感器信號輸入，防爆等級 Ex dⅡCT6 Gb，能夠在危險環(huán)境中穩(wěn)定采集和處理數據。
傳輸模塊：LoRa 傳輸模塊選用防爆型 SX1278 模塊，傳輸距離遠，功耗低；NB-IoT 模塊選用華為 BC95 防爆型模塊，適合低速率、廣覆蓋場景；4G 模塊選用移遠 EC20 防爆型模塊，滿足高速數據傳輸需求。
4.3 供電設備
采用防爆型供電系統，在有市電條件的區(qū)域，可接入防爆型市電電源，提高供電可靠性。
4.4 安裝與防護設備
安裝支架：采用防爆型鍍鋅鋼支架，高度 2-3m，具備抗風能力，支架表面進行防腐處理，適應惡劣環(huán)境。
防爆機箱：數據采集器和傳輸模塊安裝在 IP66 防護等級的防爆機箱內，機箱材質為鑄鋁，具備良好的防爆、防水、防塵性能，保護內部設備安全運行。
接地裝置：安裝防爆型接地裝置，將設備外殼與大地可靠連接，接地電阻不大于 4Ω，防止靜電積累和雷擊損壞設備。
五、軟件平臺設計
5.1 平臺架構
軟件平臺采用 B/S 架構，基于 Java 語言開發(fā)，運用 Spring Boot、Spring Cloud 微服務框架，實現高可用、高擴展的系統架構。平臺分為前端展示層、后端服務層和數據存儲層，前端采用 Vue.js 框架開發(fā)，提供直觀的用戶界面；后端包含數據采集服務、數據分析服務、預警服務等模塊；數據存儲層采用 MySQL 和 InfluxDB 數據庫。
5.2 功能模塊設計
數據采集模塊：負責與數據采集器通信，接收傳感器數據，解析數據格式，進行數據清洗和校準后存儲到數據庫。支持 Modbus、MQTT 等多種通信協議，適配不同類型的采集設備。
數據展示模塊：提供實時數據監(jiān)測界面和歷史數據查詢界面，以儀表盤、曲線圖表、數據表格等形式展示氣象數據，支持數據導出和打印功能。
預警管理模塊：配置預警閾值和預警規(guī)則，實時監(jiān)測數據變化，當數據超出閾值時觸發(fā)預警，生成預警信息并通過多種渠道通知相關人員。支持預警記錄查詢和統計分析。
設備管理模塊：對防爆氣象站設備進行全生命周期管理，包括設備注冊、參數配置、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維護記錄等功能。實時顯示設備在線狀態(tài)、運行參數等信息。
用戶管理模塊：管理用戶賬號和權限，根據用戶角色分配不同的操作權限，確保系統操作的安全性和規(guī)范性。支持用戶注冊、登錄、密碼重置等功能。
報表管理模塊：根據用戶需求生成各類統計報表，如日報、周報、月報等，報表內容包括氣象數據統計、預警情況統計等，支持報表導出和打印。
5.3 安全設計
軟件平臺采用多重安全措施保障系統安全。用戶認證采用密碼加密存儲和雙因素認證，防止非法登錄；數據傳輸采用 SSL/TLS 加密協議，確保數據傳輸安全；數據庫采用訪問權限控制和數據加密存儲，防止數據泄露；系統定期進行安全漏洞掃描和補丁更新，防范網絡攻擊；建立完善的日志審計系統，記錄用戶操作和系統事件，便于安全追溯。