杨 韬，骆 杰，杨 勇，杨永生，刀荣贵，黄 华

（1.红塔烟草（集团）有限责任公司，云南昆明；2.昆明美光科技有限公司，云南昆明）

0 引言

2008 年3 月24 日，国家烟草专卖局下发了《烟草行业熏蒸作业安全管理暂行规定》（国烟办综[2008]113 号），文件规定"实施熏蒸作业单位应对熏蒸过程的气体浓度、温度、湿度等情况进行即时技术监测，如有异常现象要及时调整技术参数并保留过程相关数据。该文件的出台，对磷化氢熏蒸浓度监测手段及技术提出了更高的要求。目前磷化氢浓度检测主要靠抽气检测，而温湿度也是靠人工记录，对与仓库内磷化氢气体和温湿度的分布情况以及PH3气体释放过程并不了解，不利于实时、精准掌握仓库的环境情况。

YC/T 342—2010《烟叶熏蒸杀虫磷化氢浓度的测定无线传感法》标准受限于当时的技术发展，所采用的Zigbee 和Wifi 结合的网络传输方式存在数据传输不稳定，难以大面积部署等不足。最近发展的NB-IOT 技术，其有效覆盖范围为1000 多平方米，信道增益高，穿透性强，完全适合大型烟叶仓库的环境监控应用。本文利用磷化氢传感器实时监测仓库PH3浓度信息以及温湿度信息，利用NB-IOT 技术将采集数据传输到后台进行处理。加强型气密性设计以及严密的前后台通信协议，保证了系统的稳定性与可靠性。

1 系统设计

该系统采用了NB-IOT 技术，解决了长距离传输问题；采用双向认证方法大大缓解了数传丢包率难题；采用严格的气密性设计，避免了PH3对电路板的腐蚀破坏，从而从多方面保证了设备的稳定性。

图1 烟叶仓库环境监控系统框图

系统由挂壁式复合监测设备（PH3和温湿度监测器）、NB IoT 平台（运营商提供）、服务器和PC 终端机软件等组成，其拓朴图如图1 所示。该系统通信距离1000 多米，适合大范围部署。

由NB-IOT 的通信协议决定，该监测仪在高速运动、复杂环境等情况下会出现数据丢包现象，设计了双向认证数据协议，首先通过节点向后台申请状态，当节点接收到后台状态信息并确认整个网络通畅后发送环境参数数据；第二当后台成功接收到环境参数信息后，会发送确认信息至前台节点，只有在节点确认后，系统才认为此次数据传输成功。若网络出现异常，则监测仪自动存储数据，下一个时间节点网络正常后再发送，程序流程如图2 所示。

设备壳体进行了严密的气密性设计，接口缝隙、螺丝孔以及传感器管教孔均采用了打胶密封处理，有效避免了PH3气体进入壳体内部对电路板焊点、电池等进行腐蚀破坏作用，从而保证了设备长时间在大浓度PH3气体中的稳定工作。设备外壳如图3 所示。

图2 系统工作流程简图

图3 设备外壳设计效果图

2 数据验证

构建1 m3的密封玻璃箱体进行PH3浓度测试实验，将设备放置于箱体内，从后台实施采集数据并进行分析。采用20×10-3大量程传感器进行测试，测量频率8 次/s，输出电压如图4 所示。通过与标准测试仪器测试比对发现，PH3浓度测量值约为1.5×10-5与标准设备测量值非常接近。气体浓度大约有±0.002 V 抖动，对应浓度误差4×10-6，从而验证了设备测量精确性。测试过程中，箱体内仍然存在微量的漏气现象，浓度逐步下降。整个曲线并非均匀光滑，主要是因为受到环境扰动影响。图4。

由于NB-IOT 采用了双向认证算法并采取本地保存数据策略，在测试1606 次的数据传输过程中，发生了53 次数据并发现象，即在没有双向认证的情况下会有3.34%的丢包率，而双向认证后没有发生一次丢包现象。说明了NB-IOT 网络的确实存在不稳定性，同时也说明了本文所提出的双向认证方法的有效性。

（1）在相同环境下，将10-5量程的高精度传感器从箱外无浓度环境下放入箱内，放入后堵住操作孔，保证密封性。后台系统记录了整个测试仪从外部放入气体内的浓度测试数据变化情况，曲线从1.241 V上升至1.333 V，对应浓度从0 变化至10-5，误差在10-6以内。相对于20×10-3量程传感器所测得的1.5×10-5，浓度有所下降，主要是因为2 个传感器之间有所差异以及在传感器置换过程中气体有所泄露导致。图5。

图4 2000 ppm 传感器输出电压

图5 放入箱体过程10 ppm 传感器输出电压

（2）在烟叶仓库进行现场熏蒸实验，仓库面积约1000 m2，高度5.4 m，墙面挂置4 个复合监测仪（编号15，14，18，17），在烟垛内放置一个监测仪(编号54)，从而对整个仓库进行全程、立体的熏蒸作业监测。整个熏蒸从2018 年8月9 日下午开始，8月19 日下午结束。图6。

图6 设备悬挂设置

从图7 可以看出，整个熏蒸过程数据真实有效，没有发生丢包现象，设备没有损伤。PH3气体浓度上升阶段、保持阶段以及散气阶段明显，与抽气式测量仪进行比对，误差＜10-4，精度在合理的范围内。如图8 所示，散气过程中，高精度传感器工作正常，数据真实，大量程与高精度之间的切换真实有效，从而可以保证作业人员的安全。温度变化情况见图9 和图10。

（1）整个熏蒸过程中，温度基本保持平稳，略有波动，主要由昼夜温差导致。散气阶段，仓库大门打开，温度波动较大。

（2）整个熏蒸过程中，湿度基本保持平稳，散气阶段，仓库大门打开，湿度波动较大。

（3）整个熏蒸过程中，电路板没有发生腐蚀现象，数据通信正常，没有发生丢包现象，再次验证了设备的稳定性。

图7 PH3 气体浓度整体变化曲线

图8 散气过程浓度变化测量曲线

图9 温度变化测量曲线

3 结论

设计了烟叶环境监控复合监测仪，利用NB-IOT 技术、双向认证NB-IOT 方法以及加强型气密性设计，保证了系统稳定性。为大型烟草仓库、粮食仓库、酒水仓库以及食品仓库的环境监控提供了一个切实有效的方法。

图10 湿度变化测量曲线