關于倉庫火災排查機器人的研究

陳思

摘要：火災是給人們的人身安全和財產安全帶來了極大的危險，及時發現災情很重要。倉庫是一個火災發生比較頻繁的場所，所以企業及大量學者投入倉庫火災報警系統的研究中，致力研發火災報警和預防系統。[1]本文主要對倉庫火災排查機器人進行研究，應用溫度傳感器及煙霧傳感器，設計一個基于STC51單片機巡查火災機器人。

Abstract： Fire is a great danger to people's personal safety and property safety. It is very important to find out the disaster in time. Warehouse is a place where fires occur frequently， so enterprises and a large number of scholars have devoted themselves to the research of warehouse fire alarm system. This paper mainly studies the warehouse fire detection robot， and designs a fire inspection robot by using temperature sensor and smoke sensor， which is based on STC51 single chip.

關鍵詞：溫度傳感器;煙霧傳感器;火焰傳感器;排查火災機器人

Key words： temperature sensor;smoke sensor;flame sensor;fire detection robot

0? 引言

由于部分倉庫環境復雜、堆放物品雜而亂、老倉庫電氣線路隱患多等原因，多倉庫是一個火災發生概率較高的場所，所以必須對倉庫進行監控。[2]如果在火災的初期就能產生報警，并且準確性、可靠性都高，那么能減少很多的財產損失及人員傷亡。[3]很多企業會安排員工定期對倉庫進行巡查和監控，但是這樣的監控，一來太消耗勞動力，二來員工在夜晚精神狀況較差，難免對工作有所疏忽，所以火災電子監控設備必不可少。目前，市場上已經出現了大量的煙霧報警系統和預警系統，主要是在倉庫的各個角落安裝煙霧報警系統。由于倉庫的空間比較大，布線復雜，線路故障檢測與維護工作繁瑣。本文以平面倉庫為研究對象，使用QRA4.U系列火焰傳感器、MQ-2煙霧傳感器、溫度傳感器和搭建紅外線檢測電路來檢測火災，使用紅外傳感器作為循線傳感器，應用無Wifi無線通信等技術，對倉庫火災排查移動機器人進行研究。

1? 硬件電路設計

1.1 QRA4.U系列火焰傳感器的簡介

火焰傳感器常被用于燃氣或燃油火焰的監測。這個系列的火焰傳感器能夠監測燃氣火焰、黃色或藍色燃油燃燒火焰以及點火火花。當波長為190～270nm范圍內的光照射到QRA4.U系列火焰傳感器時，就會觸發火焰傳感器，啟動帶有兩個電極的內部電路的電流。火焰傳感器不會對燃燒室內灼熱的耐火磚，日光或照明光線產生反應。圖1是QRA4.U系列火焰傳感器。

1.2 基于紅外光電二極管的火焰檢測電路

紅外光電二極管跟普通的二極管相似，PN節也有單向導通性，單向導通電阻隨著紅外光線的強度成反比。本文將紅外光電傳感器與10K的電阻串聯，紅外光電二極管的正極的電位作為電壓比較器LM393的輸入。比較器的另一輸入管腳跟可調電阻相連，從而獲得0～5V范圍的可調電壓。發光二極管D1用作電源指示燈，D2用作開關指示燈。

1.3 MQ-2煙霧傳感器的簡介

MQ-2煙霧傳感器對液化氣、天然氣、城市煤氣、二氧化碳等氣體有較好的靈敏度。傳感器內的氣敏電阻的電阻值范圍為電阻值范圍1～20kΩ。具有模擬量輸出及TTL電平輸出，模擬輸出電壓范圍為0～5V，能夠直接與51系列單片機直接相連。輸出的模擬電壓與氣體濃度呈正比。具有快速的響應恢復特性，具有長期的使用壽命和可靠的穩定性。

1.4 L298N電機驅動模塊的簡介

L298N是由兩個H橋組成的全橋式驅動器，是一種高電壓、大電流電機驅動芯片，額定功率為25W。該芯片可以驅動兩個直流電機，或者一臺兩相步進電機或四相步進電機。用L298N驅動模塊來驅動直流電機時，通過對使能端ENA、ENB、A1、A2、B1、B2輸入不同組合的邏輯電壓信號，來實現電機的控制。當確定了轉向后（例如A1、A2被置1，確定了正轉的方向），對使能端輸入PWM脈沖信號，可實現直流電機的調速。

1.5 ESP8266 WIFI通信模塊的簡介

ESP8266無線通信模塊采用串口與MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WIFI之間的轉換，兼容51系列的單片機系統。除了電源管腳外的四個管腳分別是通信接口RXD、TSD，RST重啟管腳，和I0-0管腳（低電平時燒寫模式，高電平是運行模式），與單片機的連接方便，RXD可以與單片機的TXD管腳直接連接，TXD管腳能直接跟單片機的RXD管腳直接連接。

1.6 原理圖設計

本文選用AT89S52單片機作為主控芯片，使用煙霧傳感器、火焰檢測傳感器、紅外檢測電路，搭建一個集合多傳感器檢測系統。使用兩個直流電機及紅外循跡傳感器來完成機器人的運動任務。采用Wifi無線通信，發出報警信號來觸發保安室的報警裝置。煙霧傳感器與單片機的連接簡單，只需要將煙霧傳感器的模擬輸出電壓腳AO或者邏輯信號輸出管腳DO跟單片機的一個I/O接口相連即可，紅外檢測電路、火焰傳感器檢測電路及溫敏電阻檢測電路輸出的是邏輯信號，分別接到單片機的一個I/O接口。循跡電路采用的是識別路線的四紅外開關傳感器，跟單片機的4個I/O接口相連。采用了L298N驅動模塊來驅動兩個直流電機，將模塊上的兩組（6個管腳）使能端跟單片機相連，結合軟件編程即可完成兩個電機制動、停止、正轉、反正、調速的控制。采用了硬件設計框圖如圖7所示，主控電路及管腳分配如圖8所示，紅外檢測電路、藍牙通信電路、煙霧傳感器電路如圖9所示，其他外圍電路（溫敏電阻檢測電路、電機驅動電路及循跡電路）。[4]

2? 程序設計

在程序設計了，在主程序采用查詢的方法來查詢循跡傳感器的檢測信號，判斷機器人的運動方向是否需要調整及怎樣調整。采用定時中斷的方法對紅外循跡傳感器電路火焰傳感器檢測電路、溫敏電阻檢測電路、煙霧傳感器電路的輸入信號，然后作判斷。將火焰傳感器電路、溫敏電阻檢測電路及基于紅外檢測電路的輸出信號進行邏輯運算判斷，如果三個電路中有兩個以上檢測到火焰，單片機則通過WiFi電路將發出報警信號，觸發保安室的報警裝置。如果煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超標，單片機也發出信號觸發報警裝置。主程序設計框圖如圖11所示，中斷子函數設計框圖如圖12所示。

3? 結束語

由于危險化學品的腐蝕、有毒、易燃易爆特性，存儲危化品的倉庫若發生火災事故將導致極大的安全財產損失研究立體倉庫的貨位火災預警具有重要現實意義。[4]本文以平面倉庫為研究對象，對火災排查機器人進行基本研究，將傳感器技術、單片機技術、電子技術應用到本設計中，對硬件設計和程序設計作了簡單的闡述。至于倉庫火災排查機器人的關鍵技術，例如，視覺檢測技術、檢測電路的靈敏性及準確性、遠距離的無線通信技術、互聯網通信、機器人的滅火裝置等，后期還需要投入大量的研究工作。

參考文獻：

[1]高帥，朱國慶，趙永昌.一起倉庫火災事故調查與場景再現[J].消防科學與技術，2018，37（08）：1148-1151.

[2]梁雅楠.“三小場所”電氣火災防控技術的研究[D].西安理工大學，2018.

[3]孔祥濤.高架倉庫的火災探測器選型與布置[J].現代建筑電氣，2018，9（04）：45-47.

[4]盧浩.基于光纖拉曼散射的危化品立體倉庫貨位火災預警系統的研究[D].北京化工大學，2018.