基于物聯網的小麥糧倉智慧煙感預警系統研究

李巧君

(河南工業職業技術學院,河南 南陽 473000)

0 引言

糧倉是糧食存儲的重要地方,糧倉的安全防護是國家糧倉管理的核心問題。糧食安全存儲除了需要注意環境溫濕度變化外,火災引起的糧食存儲安全是浪費的最大因素之一。一旦發生火災,便會造成人員傷亡、糧食浪費及經濟損失。隨著網絡技術和智能控制技術的發展,傳統的糧倉管理方式也朝著智能化方向發展,采用無線網絡監測和預防小麥糧倉火災是一種必然趨勢。因此,本文基于物聯網設計了小麥糧倉智慧煙感預警系統。

1 物聯網技術概述

隨著集成電路、互聯網和控制技術的發展,物聯網(Internet of things)技術得到了快速的發展,目前已被廣泛應用于各個行業。物聯網是指萬物之間相互連接的網絡,主要包括感知層、網絡層和應用層等3層網絡,其體系架構如圖1所示。感知層、網絡層和應用層各層的功能作用介紹如下:

1)感知層。主要包括各種類別的傳感器網關,功能和人體的視、聽、觸、味等一樣,用于感知周邊環境的溫濕度、光照度及二氧化碳濃度等一系列參數信息。傳感器網絡識別和采集到物體的數據信息后,會將各種非電信號轉化成電信號,以供智能控制器進行判斷和控制。

2)網絡層。主要包括互聯網、無線、有線和網絡管理系統等,功能類似于人體的神經中樞系統,負責通過網絡將感知層采集、處理后的數據信息發送至智能控制器,進行進一步的分析與處理。

3)應用層。主要用于用戶和物聯網世界之間的交互,通過結合各個行業的需求,實現物聯網的智能化服務。

圖1 物聯網體系架構圖

物聯網模型實際應用示意如圖2所示。

2 小麥糧倉智慧煙感預警系統

2.1 小麥糧倉智慧煙感預警系統設計方案

小麥糧倉智慧煙感預警系統設計的難點如下:①在小麥糧倉儲存環境中,用電和網絡的布線難度非常大,后期維護難度也比較大;②小麥在最初燃燒時會有一段陰燃時間,該時間段內不易被察覺,需要在糧倉各個位置盡量多布置一些傳感器節點,在同一個采集點需要同時對溫度、一氧化碳濃度和煙霧濃度進行檢測;③每一個采集點的所有設備(包括溫度、一氧化碳濃度和煙霧濃度等傳感器)都應該滿足低功耗的要求,保證整個系統的穩定性;④由智能控制器對采集到的數據信息進行分析和處理,要求智能控制器的性能要比較強大。

針對以上設計難點,基于小麥糧倉儲存和管理背景,設計了小麥糧倉智慧煙感預警系統,整體框架如圖3所示。

圖2 物聯網模型實際應用示意圖

圖3 小麥糧倉智慧煙感預警系統整體框架圖

2.2 小麥糧倉智慧煙感預警系統總體結構設計

2.2.1 系統硬件框架

小麥糧倉智慧煙感預警系統的硬件框架是為其軟件的設計提供平臺,主要包括如下幾部分:①建立ZigBee無線網絡,包括協調器和終端節點;②搭建數據信息智能處理與控制系統,包括智能控制器和其外圍設備;③建立PC后臺管理平臺,完成小麥糧倉環境信息的存儲與查看,并負責分析小麥糧倉是否有發生火災的可能。小麥糧倉智慧煙感預警系統的硬件框架如圖4所示。

圖4 小麥糧倉智慧煙感預警系統的硬件框架圖

小麥糧倉智慧煙感預警系統環境檢測模塊由多個溫度、CO濃度和煙霧濃度傳感器節點組成,可同時對糧庫內的多個檢測點的溫度、CO濃度及煙霧濃度進行監測。系統環境檢測模塊硬件結構如圖5所示。

圖5 系統環境檢測模塊硬件結構圖

2.2.2 系統軟件框架

小麥糧倉智慧煙感預警系統的軟件框架是根據小麥糧倉的儲存方式、著火特點和預警流程進行設計,包括嵌入式Linux系統設計和上位機軟件兩部分。小麥糧倉智慧煙感預警系統的軟件框架如圖6所示。

圖6 小麥糧倉智慧煙感預警系統軟件框架

系統軟件設計包括嵌入式Linux系統搭建與移植、3G和網卡驅動的移植及上位機軟件的設計。

3 系統硬件設計

針對小麥糧倉火災探測的實際要求,小麥糧倉智慧煙感預警系統的硬件設計包括智能控制器Exynos4412、ZigBee組網技術和煙霧傳感器等部分。本文主要介紹煙感預警系統的核心部分—Zigbee組網技術和煙霧傳感器電路設計。硬件系統各個模塊如圖7所示。

圖7 硬件系統各個模塊示意圖

3.1 基于ZigBee的硬件設計

基于ZigBee技術的硬件設計要求是可以實時采集溫度、煙霧和CO濃度等糧倉發生火災的特征信息,并將其發送到到智能控制器Exynos4412。ZigBee的硬件框架如圖8所示。

圖8 ZigBee的硬件框架圖

圖8中,ZigBee的無線傳感節點主要完成小麥糧倉火災特征數據的探測與采集,路由節點負責收集各個傳感器采集到的信息,并將其發送給協調器節點;而協調器節點則負責收集各個路由節點的信號,并將其發送給智能控制器Exynos4412;智能控制器Exynos4412的主要功能是接收小麥糧倉所有的火災特征數據,并進行分析處理、存儲和供技術人員查詢。

3.2 煙霧傳感器電路設計

本文選擇MQ-7氣體傳感器作為煙霧傳感器,可以監測煙霧的濃度來實現小麥糧倉的火災防范。煙霧報警器內部采用先進的光電式煙霧傳感器,工作穩定可靠。另外,系統還配置了蜂鳴報警器,可以在監測到火情危險的第一時間進行蜂鳴報警。圖9為MQ-7煙霧傳感器。

圖9 MQ-7煙霧傳感器

圖10 煙霧報警器應用原理圖

4 上位機軟件設計

隨著自動化技術、工業控制和人機交互應用的不斷發展和改進,人們開始慢慢意識到,當控制對象復雜、集成度龐大時,項目原有的上位機編程效率較低,且計算機集成和管理應用系統會持續升級,企業管理者希望能夠獲取更多工業控制現場的數據信息。因此,工業現場管理專用的上位機軟件應運而生。

本系統采用Digia公司Qt跨平臺集成開發平臺,其基于C++應用程序開發框架,包括多達250個以上的C++類,涉及包括網絡、數據庫、多媒體、腳本引擎等眾多APP開發所用到封裝庫。Qt支持Microsoft Windows 95/98、Microsoft Windows NT、Linux、Solaris、SunOS、HP-UX、UNIX、Irix、FreeBSD、BSD/OS、SCO、AIX、OS390及QNX等操作系統,包括了項目和生成管理工具、集成的上下文相關的幫助系統、圖形調試器、代碼管理和瀏覽工具等,能夠方便開發者快速地設計出良好的人際界面。小麥糧倉智慧煙感預警系統上位機軟件主界面如圖11所示。

圖11 小麥糧倉智慧煙感預警系統上位機軟件主界面

5 實驗與結果分析

為了驗證小麥糧倉智慧煙感預警系統的準確性與可靠性,本文在前文硬件設計和軟件設計的基礎上,對系統的功能進行試驗分析。系統主控制器和終端節點實物如圖12和圖13所示。

圖12 系統主控制器實物圖

圖13 系統終端節點實物圖

本系統在模擬小麥糧倉的不同位置采取了多次測試,打開通風扇后,在一個20cm圓盤中點燃一支煙,該系統可以在10s以內快速發現煙霧的信號,并且啟動報警器。實驗表明:該系統在小麥糧倉發生火災時能夠靈敏檢測到,并且及時報警,讓工作人員有充足的時間逃離現場或者撲滅著火點,從而大大減少無辜人員的傷亡和經濟損失。

6 結論

首先,闡述了物聯網技術的工作原理;然后,基于物聯網制定了小麥糧倉智慧煙感預警系統的設計方案,并從硬件和軟件兩方面設計了系統的總體框架;最后,實現了對系統的硬件和上位機的設計。實驗結果表明:該系統在小麥糧倉發生火災時能夠靈敏地檢測到,并且及時報警,讓工作人員有充足的時間逃離現場或者撲滅著火點,從而大大減少無辜人員的傷亡和經濟損失。