基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能紡紗車間環(huán)境監(jiān)控與火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

白淵銘，吳晨旭，張 靖，謝嘉飛

（太原師范學(xué)院，山西 晉中 030619）

0 引 言

紡織企業(yè)的大部分原料燃點(diǎn)很低，如棉花（210 ℃），棉纖維（150 ℃）等[1-2]，而棉纖維比木材燃燒速度快15%～26%。在工廠中，棉絮、棉卷隨處可見，一旦起火就會迅速蔓延[3]。紡紗機(jī)器長時間運(yùn)轉(zhuǎn)、電氣故障、供電線路老化、棉條中殘留金屬顆粒等都有可能導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)，之后將空中彌漫的棉絮引燃，迅速擴(kuò)散，最終釀成大火。面對這一問題，傳統(tǒng)紡織車間多在房屋鋼筋支架處安裝煙霧報警器，或采用單一傳感器對火災(zāi)進(jìn)行探測，憑經(jīng)驗設(shè)定閾值[4]。但由于車間較大，探測區(qū)域無法全面有效覆蓋，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時無法精確定位。傳統(tǒng)檢測火源的傳感器裝置在安裝后不可更換位置，且為有線方式，布線繁瑣，導(dǎo)致產(chǎn)品使用效果不理想。因此，如何改進(jìn)傳感器設(shè)計，優(yōu)化火災(zāi)預(yù)警算法是值得深入研究的內(nèi)容。本文結(jié)合晉中市某紡織企業(yè)對生產(chǎn)中火災(zāi)預(yù)警的實(shí)際需求，設(shè)計了一款新型火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等，利用傳感器采集當(dāng)前環(huán)境信息，通過智能控制程序?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)預(yù)警和紡織車間的溫度調(diào)控。該系統(tǒng)具有功耗低、成本低、穩(wěn)定性高、便于安裝等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器可根據(jù)紡車長度和環(huán)境區(qū)域安裝至棉紗桶上或車體上。傳感器集成多個環(huán)境參數(shù)的采集，可同時對車間環(huán)境采集溫度、濕度、火焰、煙霧顆粒。系統(tǒng)選用德州儀器出品的CC2530芯片作為內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)ZigBee自組網(wǎng)、控制傳感器采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)至STM32核心控制裝置等。該裝置不僅是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，也是電氣火災(zāi)采集器的控制器。電氣火災(zāi)采集器由電壓傳感器、電流傳感器、剩余電流互感器、溫度傳感器、分勵脫扣器等組成。通過傳感器對工廠交流線纜各類參數(shù)進(jìn)行采集與監(jiān)控，將環(huán)境火災(zāi)預(yù)警數(shù)據(jù)與電氣火災(zāi)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，基于MQTT協(xié)議，通過4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。數(shù)據(jù)庫管理基于Hadoop和Spark框架搭建大數(shù)據(jù)分析平臺。系統(tǒng)主要具備對環(huán)境和電氣火災(zāi)做出預(yù)警和遠(yuǎn)程控制設(shè)備斷電，及對紡紗環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控的能力。

圖1 總體設(shè)計框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器

環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器采用鋰電池供電，其MCU是德州儀器出品的CC2530芯片，內(nèi)嵌Z-Stack協(xié)議棧。該設(shè)備作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上電自動檢測網(wǎng)絡(luò)并加入指定網(wǎng)絡(luò)，通過CC2530硬件外設(shè)對溫度傳感器、濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器進(jìn)行控制并讀取傳感器數(shù)據(jù)。環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器原理如圖2所示。

圖2 環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器原理

2.2 STM32產(chǎn)品核心控制裝置

產(chǎn)品核心控制裝置的MCU使用意法半導(dǎo)體出品的STM32F103芯片，芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，主頻可達(dá)72 MHz，具有強(qiáng)大的外設(shè)。芯片通過USART1串口與CC2530芯片通信，USART2串口與4G無線模塊進(jìn)行信息交互，通過USART3串口與工廠變頻器進(jìn)行信息交互，變頻器對車間風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)車間環(huán)境溫度。通過ADC采集電器柜線路的電壓、電流、溫度等參數(shù)，對電氣安全進(jìn)行監(jiān)控，如發(fā)生火災(zāi)，可對車間斷路器、繼電器進(jìn)行控制，切斷設(shè)備電源。電路原理如圖3所示，產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖3 電路原理

圖4 產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式設(shè)備軟件設(shè)計

3.1.1 環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器軟件設(shè)計

環(huán)境火災(zāi)預(yù)警傳感器上電后自動檢測網(wǎng)絡(luò)并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗模式定時喚醒，在工作周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送至STM32核心控制裝置，隨之該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，等待下一周期。

3.1.2 STM32核心控制裝置軟件設(shè)計

STM32芯片通過CC2530串口接收環(huán)境火災(zāi)傳感器數(shù)據(jù)，通過ADC調(diào)理電路采集電氣火災(zāi)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼組幀?；贛QTT協(xié)議，通過4G模塊連接阿里云服務(wù)器并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，設(shè)備軟件流程如圖5所示。

圖5 STM32核心控制裝置軟件流程

3.2 阿里云平臺數(shù)據(jù)解析腳本

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺采用訂閱機(jī)制[5]，利用模型通信topic接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。云平臺接收數(shù)據(jù)后，通過python腳本語言解析數(shù)據(jù)，并實(shí)時顯示在Web界面。腳本解析代碼如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)腳本代碼

3.3 頁面實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)測試

數(shù)據(jù)上傳后顯示在Web頁面，實(shí)時動態(tài)更新數(shù)據(jù)并記錄。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蚣磳l(fā)生火災(zāi)時，可第一時間通過Web頁面定位、預(yù)警火災(zāi)位置，進(jìn)行車間設(shè)備斷電控制。Web部分頁面展示如圖7所示。

圖7 Web頁面

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)今智能工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，本設(shè)計自主研發(fā)傳感器、控制器，并結(jié)合阿里云平臺，實(shí)現(xiàn)了智能車間的火災(zāi)預(yù)警功能（也可有效調(diào)節(jié)車間溫度）。在紡織企業(yè)車間安裝、加裝此火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，能起到預(yù)警作用，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，可以定位火源，第一時間對起火點(diǎn)進(jìn)行施救，以減少財產(chǎn)損失。本設(shè)計具有廣闊的應(yīng)用前景。