防爆气象站技术方案

防爆气象站技术方案 柏峰【BF-FB】一、项目背景 在石油、化工、煤矿、燃气等高危行业的生产现场，易燃易爆物质遍布，环境中潜在的爆炸风险时刻威胁着生产安全与人员生命健康。气象条件的变化是引发安全事故的重要诱因之一，高温可能加速可燃物质挥发，大风会扩大泄漏气体的扩散范围，高湿度可能导致设备绝缘性能下降，这些都可能引发火灾、爆炸等恶性事故。
传统的气象监测设备由于缺乏防爆设计，在高危环境中使用时本身就可能成为点火源，无法满足安全生产需求。为了实现高危环境下气象数据的精准监测与安全管理，构建一套专业的防爆气象站至关重要。该气象站能够在易燃易爆环境中稳定运行，实时采集关键气象要素，为安全决策提供科学依据，有效降低事故发生概率，保障高危行业的安全生产。

二、系统架构
2.1 感知层
感知层是防爆气象站的数据采集核心，负责在危险环境中精准采集各类气象要素数据，所有设备均具备防爆性能。
温度传感器：采用隔爆型设计，测量范围 - 40℃-80℃，精度 ±0.3℃，能够实时监测环境温度变化，及时发现温度异常升高情况，为设备降温控制提供数据支持。
湿度传感器：具备本安防爆认证，测量范围 0%-100% RH，精度 ±3% RH，实时监测空气湿度，当湿度超出安全范围可能影响设备绝缘或导致物质吸湿变质时发出预警。
风速风向传感器：采用隔爆外壳，风速测量范围 0-60m/s，精度 ±0.3m/s；风向测量范围 0°-360°，精度 ±3°，准确监测风场变化，为判断可燃气体扩散方向和范围提供依据。
气压传感器：防爆等级达到 Ex dⅡCT6 Gb，测量范围 300-1100hPa，精度 ±0.3hPa，辅助分析天气变化趋势，为雷雨等灾害性天气预警提供数据。
雨量传感器：采用防爆型翻斗式雨量计，分辨率 0.2mm，精度 ±2%，监测降水量及降水强度，为防汛防潮措施制定提供参考。
2.2 传输层
传输层负责将感知层采集的气象数据安全、稳定地传输至数据处理中心，所有传输设备和线路均满足防爆要求。
传输设备：选用防爆型无线传输模块，支持 LoRa、NB-IoT 等低功耗广域网技术，在危险环境中实现远距离数据传输，传输距离可达数公里。对于数据传输要求较高的场景，可采用防爆型 4G 模块，确保数据实时传输。
传输线路：采用防爆电缆进行有线连接，电缆接头处使用防爆密封接头，防止易燃易爆气体进入设备内部，保障数据传输过程的安全性。
数据加密与完整性保障：传输过程中对数据进行加密处理，采用 AES 加密算法，防止数据被窃取或篡改。同时具备断点续传功能，当网络中断恢复后，自动补发未传输成功的数据，确保数据的完整性。
2.3 数据处理层
数据处理层对传输来的气象数据进行存储、分析和处理，为安全决策提供支持。
数据存储：采用防爆型工业服务器，配备大容量硬盘，对采集的气象数据进行长期存储。数据库采用关系型数据库与时序数据库相结合的方式，关系型数据库存储设备信息、预警记录等结构化数据，时序数据库存储海量的气象时序数据，支持高效查询和分析。
数据清洗与校准：对原始数据进行预处理，去除异常值、噪声数据和重复数据。通过与标准气象数据对比和传感器校准曲线修正，提高数据精度，确保数据的可靠性。
数据分析与建模：运用大数据分析技术，建立气象要素与安全风险的关联模型。分析温度、湿度、风速等因素对可燃物质特性、设备性能的影响规律，为安全风险评估和预警提供算法支持。
2.4 应用层
应用层为用户提供数据展示、预警管理和决策支持等功能，满足高危行业安全生产管理需求。
监控中心平台：具备防爆数据展示界面，实时显示各监测点的气象数据，以图表、曲线等形式直观呈现数据变化趋势。支持历史数据查询、统计分析和报表生成，为安全管理提供数据依据。
预警管理系统：根据预设的安全阈值和风险模型，对气象数据进行实时监测，当数据超出阈值时触发预警。预警级别分为一般预警、较重预警、严重预警，分别采取不同的通知方式。
移动 APP：为管理人员和运维人员提供移动端访问功能，支持实时查看气象数据、接收预警信息、查询历史数据等操作，方便用户随时随地掌握危险环境的气象状况。
三、功能设计
3.1 实时气象数据监测
系统能够实时采集温度、湿度、风速、风向、气压、雨量等气象要素数据，并在监控中心平台和移动 APP 上实时展示。数据采样频率可根据需求设置，一般为 1-5 分钟 / 次，确保及时掌握气象条件变化情况。
3.2 多级别预警功能
根据气象数据与安全阈值的对比结果，实现多级别预警。当温度接近可燃物质燃点时，发出高温严重预警；当风速达到可能加速气体扩散的临界值时，发出大风较重预警；当湿度异常可能影响设备安全时，发出湿度一般预警等。预警信息通过声光报警、平台消息、短信、APP 推送等多种方式通知相关人员。
3.3 历史数据查询与分析
系统具备强大的历史数据存储和查询功能，用户可按照时间范围、气象要素类型等条件查询历史数据。支持生成日报、周报、月报等统计报表，对气象数据进行趋势分析、极值分析、相关性分析等，为安全管理策略制定和事故追溯提供数据支持。
3.4 设备状态监测与管理
实时监测防爆气象站各设备的运行状态，包括传感器是否正常工作、传输模块信号强度、设备电池电量等。当设备出现故障或异常时，自动发出设备故障预警，提醒运维人员及时进行维修和更换，确保系统持续稳定运行。
3.5 与安全管理平台联动
支持与企业的安全生产管理平台无缝对接，将气象数据与可燃气体浓度、设备运行参数等数据进行联动分析。当气象数据与其他安全数据共同达到风险条件时，触发综合安全预警，为应急处置提供全面的数据支持。
3.6 远程参数配置
用户可通过监控中心平台或移动 APP 对防爆气象站的参数进行远程配置，如调整数据采集频率、修改预警阈值、设置传输周期等，无需现场操作，提高系统管理的便利性和安全性。
四、硬件选型
4.1 传感器选型
温度传感器：选用隔爆型 PT100 温度传感器，具备 Ex dⅡCT6 Gb 防爆认证，响应速度快，稳定性高，适合在易燃易爆环境中长期使用。
湿度传感器：采用本安型 SHT35 湿度传感器，通过 Ex iaⅡCT4 Ga 认证，测量精度高，抗干扰能力强，能够在恶劣环境中准确测量湿度。
风速风向传感器：选用防爆型三杯式风速传感器和单翼式风向传感器，外壳采用铸铝材质，防爆等级 Ex dⅡCT6，防护等级 IP65，能够抵御恶劣环境的侵蚀。
气压传感器：采用防爆型 BMP388 气压传感器，具备隔爆外壳，测量精度高，功耗低，适合长期连续监测。
雨量传感器：选用防爆型翻斗式雨量计，承雨口径 200mm，防爆等级 Ex dⅡBT4，具备防堵塞设计，确保在多雨环境中正常工作。
4.2 数据采集与传输设备
数据采集器：选用防爆型数据采集器，具备多路传感器接口，支持多种传感器信号输入，防爆等级 Ex dⅡCT6 Gb，能够在危险环境中稳定采集和处理数据。
传输模块：LoRa 传输模块选用防爆型 SX1278 模块，传输距离远，功耗低；NB-IoT 模块选用华为 BC95 防爆型模块，适合低速率、广覆盖场景；4G 模块选用移远 EC20 防爆型模块，满足高速数据传输需求。
4.3 供电设备
采用防爆型供电系统，在有市电条件的区域，可接入防爆型市电电源，提高供电可靠性。
4.4 安装与防护设备
安装支架：采用防爆型镀锌钢支架，高度 2-3m，具备抗风能力，支架表面进行防腐处理，适应恶劣环境。
防爆机箱：数据采集器和传输模块安装在 IP66 防护等级的防爆机箱内，机箱材质为铸铝，具备良好的防爆、防水、防尘性能，保护内部设备安全运行。
接地装置：安装防爆型接地装置，将设备外壳与大地可靠连接，接地电阻不大于 4Ω，防止静电积累和雷击损坏设备。
五、软件平台设计
5.1 平台架构
软件平台采用 B/S 架构，基于 Java 语言开发，运用 Spring Boot、Spring Cloud 微服务框架，实现高可用、高扩展的系统架构。平台分为前端展示层、后端服务层和数据存储层，前端采用 Vue.js 框架开发，提供直观的用户界面；后端包含数据采集服务、数据分析服务、预警服务等模块；数据存储层采用 MySQL 和 InfluxDB 数据库。
5.2 功能模块设计
数据采集模块：负责与数据采集器通信，接收传感器数据，解析数据格式，进行数据清洗和校准后存储到数据库。支持 Modbus、MQTT 等多种通信协议，适配不同类型的采集设备。
数据展示模块：提供实时数据监测界面和历史数据查询界面，以仪表盘、曲线图表、数据表格等形式展示气象数据，支持数据导出和打印功能。
预警管理模块：配置预警阈值和预警规则，实时监测数据变化，当数据超出阈值时触发预警，生成预警信息并通过多种渠道通知相关人员。支持预警记录查询和统计分析。
设备管理模块：对防爆气象站设备进行全生命周期管理，包括设备注册、参数配置、状态监测、故障诊断、维护记录等功能。实时显示设备在线状态、运行参数等信息。
用户管理模块：管理用户账号和权限，根据用户角色分配不同的操作权限，确保系统操作的安全性和规范性。支持用户注册、登录、密码重置等功能。
报表管理模块：根据用户需求生成各类统计报表，如日报、周报、月报等，报表内容包括气象数据统计、预警情况统计等，支持报表导出和打印。
5.3 安全设计
软件平台采用多重安全措施保障系统安全。用户认证采用密码加密存储和双因素认证，防止非法登录；数据传输采用 SSL/TLS 加密协议，确保数据传输安全；数据库采用访问权限控制和数据加密存储，防止数据泄露；系统定期进行安全漏洞扫描和补丁更新，防范网络攻击；建立完善的日志审计系统，记录用户操作和系统事件，便于安全追溯。