基于溫濕度的儲油倉防火監測系統設計

陸柯偉， 肖廣兵， 張 涌

(南京林業大學 汽車與交通工程學院， 南京 210037)

0 引 言

汽油作為最重要的能源之一，具有易燃易爆性，若將其儲藏在干燥、密閉的倉庫中極易引發自燃并產生火災，嚴重危害生命財產安全，因此有效控制與管理汽油儲存倉中的溫濕度交通、運輸等各個領域重要的研究目標。然而大多數汽油倉庫是人工管控的，當倉庫內溫濕度超標時，管理員采取通風等措施降低倉庫內溫濕度以及汽油揮發度，以此防止汽油起火爆炸。人工管控方法繁瑣，危險系數高。有文獻提出在倉庫中設置阻火裝置以及防火設施，以此防止火勢的擴大和蔓延[1]；有文獻介紹通過控制靜電的產生以及防止靜電積聚，以此防止倉庫發生火災[2]。但這些方法存在精確度低等缺陷。

針對當前對汽油儲存倉庫管控自動化程度低，危險性高等缺陷，本文設計了一種基于溫濕度的儲油倉防火檢測系統。該系統通過倉庫內的溫濕度傳感器獲取倉庫溫濕度等實時數據，并通過無線傳感網絡發送到上位機進行分析、處理及決策。若倉庫內溫濕度超過安全范圍，系統能夠自動進行通風處理，將溫濕度維持在安全范圍內。該系統還具備天氣預測，防火預警等輔助功能，能夠提高管理員對倉庫管控的全面性。該系統與人工管控相比，降低了人力物力的消耗，提高了倉庫安全性與倉庫管控的準確性，具有高效、成本低、精確度高等優點。

1 系統設計

儲油倉防火監測系統由儲油倉內環境監測系統、傳感器管理系統、數據處理模塊、通風以及預警模塊構成。通過無線傳感網絡以及傳感器實現對數據的采集和傳遞。

儲油倉防火監測系統結構如圖1所示。該系統對儲油倉庫內溫濕度實時監控，通過無線傳感網絡向數據處理模塊發送數據并上傳至PC端，一旦倉庫內溫濕度超過安全標準，即自動觸發通風系統，降低倉庫的溫濕度，直至到達安全標準，若倉庫內溫濕度到達了危險標準并有引發火災的風險，系統能夠自動預警，通知相關部門及時處理，防止火災的發生。

圖1 系統結構圖

2 硬件電路設計

防火監測系統的硬件主要包括：電源模塊、主處理器STM32F103VB模塊、溫度測量模塊、濕度測量模塊等。硬件設備以主處理器STM32F103VB模塊為核心，其他模塊以供電模塊作為輔助，與處理器串口連接，完成對儲油倉內環境的監控。

2.1 電源模塊

STM32F103VB模塊一般選用2.3～3.6 V的直流電壓，溫度測量模塊輸入電壓采用12 V的直流電，濕度測量模塊使用2.4～5.5 V的直流電壓，因此需要將220 V交流電通過變壓器和電容器降壓并由集成三端穩壓器CW7812轉化成12 V的直流電，為該系統供電。電源模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 主處理器STM32F103VB模塊

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位 ARM處理器。該處理器改進了系統架構，支持單周 期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。其時鐘頻率最高可達72 MHz，每秒可完成200萬次的乘加運算。在待機模式下，消耗電流下降到 2 μA，具有較低的功耗[3]。

STM32F103VB處理器的電路圖及外圍電路如圖3所示。存儲電路采用24C128，用于保存溫濕度傳感器的故障記錄以及儲油倉內溫濕度數據等[4]。為滿足低功耗和穩定性的要求，系統主時鐘采用了8 MHz的外部晶振，同時還外接一個32.768 KHz的無源晶振為系統提供精確的實時時鐘。溫濕度檢測模塊與該處理器的引腳相連接，其溫濕度數據經過ASD1218模數轉換后串行發送到芯片的數據輸入端。處理器對數據分析、處理之后通過串口發送到Zigbee無線通訊模塊，完成對儲油倉內溫濕度的檢測[5]。

圖3 STM32F103VB處理器電路圖

2.3 濕度測量模塊

該系統中濕度測量使用SHT11溫濕度傳感器芯片，該芯片由工業級CMOSens TM集成技術制作而成，具有高性能、低功耗、體積小等特點[6]。該芯片內部集成有放大器、RAM、冗余校驗寄存器、A/D模數轉換器等部件，通過二線制串行接口和單片機通信。在測量與通信后，SHT11會自動進入低功耗模式，減少功率損耗，提高電源效率[7]。

SHT11傳感器芯片的電路如圖4所示。SHT11構成的溫濕度測量系統簡單，只需借助時鐘信號引腳SCK與數據信息引腳DATA完成溫濕度數據的傳輸。SCK引腳為時鐘端，實現傳感器與處理器之間的同步通信。引腳DATA為數據引腳，作用是輸入與輸出數據，完成數據的傳遞。引腳GND接地，引腳VCC接+2.4～5.5 V直流電壓。

圖4 SHT11傳感器電路圖

2.4 溫度測量模塊

溫度測量模塊電路如圖5所示。傳感器由K型熱電偶、基準點補償電路、斷線檢測電阻、同相放大器、低通濾波器組成，在輸出端口與處理器相接，完成數據的傳輸。K型熱電偶材料主要由鎳鉻-鎳硅合金構成，具有重復性高，靈敏度高等優點，是工業自動化控制中最常用的一種熱電偶。該電路采用LM35D的基準點補償電路，芯片內部采用分差對管等線性技術，提高傳感器的測量精度。為解決傳感器出現斷線無法獲得數據的情況，電路中連接了100 MΩ的斷線檢測電阻，保證數據的準確性[8]。

3 系統軟件設計

上位機軟件控制平臺采用Visual Basic6.0軟件開發設計。

系統主界面由倉庫內環境監測、設備檢測、用戶注銷、問題反饋以及設置5個部分組成，所對應的功能分別是儲油倉庫內環境的監測以及歷史溫濕度折線圖的查看；控制設備開關及檢測傳感器設備的工作情況；用戶的注銷與登錄；用戶問題反饋；軟件界面調整。

圖5 溫度傳感器電路圖

該系統的流程如圖6所示。管理員登錄并啟動設備后，系統儲油倉內的溫濕度傳感器獲取倉內實時溫濕度并與設置的適宜溫濕度范圍進行比較。若倉內溫濕度處于適宜范圍內，則倉庫沒有失火風險，若倉內溫濕度超出適宜范圍，則系統自動進行通風處理，降低倉內溫濕度并維持在適宜范圍內。若倉內溫濕度超出警戒溫濕線，系統則自動預警通知管理員及時采取適當措施，防止火災發生。該系統還具備了天氣，溫濕度折線圖，溫濕度傳感器設備的檢測及管理等功能，為管理員管控儲油倉庫起到輔助作用。

圖6 系統流程圖

儲油倉庫監測由倉庫內溫濕度、倉庫內環境溫濕度折線圖、一鍵通風、一鍵報警、室外天氣等組成，如圖7所示。收集到的溫濕度數據經過單片機處理繪制出倉庫內環境溫濕度折線圖。一鍵報警可以主動聯系相關部門，一鍵通風可以控制倉庫通風，將倉庫內環境的溫濕度維持在正常標準范圍內。室外天氣顯示的為當前室外天氣溫度等數值，可以為管理員對倉庫管理提供輔助作用。

圖7 儲油倉庫監測界面

倉庫內環境歷史溫濕度折線，如圖8所示。該數據對儲油倉安全性的管控和改進倉庫建設有重要作用，查看倉庫歷史溫濕度可以更好的預測并防范油倉火災的發生，通過分析折線圖中數據以及倉庫內環境情況，改進儲油倉庫的設計，對儲油倉庫的未來發展具有重大意義。

圖8 溫濕度記錄頁面

溫濕度傳感器的開關以及傳感器設備的工作情況，如圖9所示。用戶可以通過客戶端實現對設備的遠程控制，可以實時監測設備的工作情況以及損壞情況。

圖9 傳感器設備檢測界面

4 結束語

本文利用儲油倉庫的溫濕度檢測實現對倉庫的自動化防火監測，將自動預警，自動通風技術運用到該系統中，實現對儲油倉庫內溫濕度的精控管理，減少了人工管理的繁瑣。該系統結構簡單，功能全面，能夠滿足儲油倉庫的日常管理。