氣體泄漏智能檢測小車的設計

程義軍

（太原工業(yè)學院，山西太原 030008）

0 引言

化工類企業(yè)存在很多氣體介質，其中部分產品是易燃易爆且有毒有害氣體。一旦發(fā)生泄漏事故，又沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，將對企業(yè)以及周邊的人員和財產造成不可估量的損失。因此需要有效的巡邏監(jiān)測來避免事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的人工檢測和傳感器網絡監(jiān)測手段需要投入大量的人力和物力，降低了企業(yè)的經濟效益，且對巡檢人員存在一定的危險性。為了解決以上問題，設計了可以自主移動的氣體檢測智能小車，可以實現(xiàn)自主巡邏，實時監(jiān)測有無氣體泄漏，并在檢測到氣體泄漏時準確發(fā)送泄漏源位置信息。以便工作人員及時采取應急措施，保障企業(yè)的安全生產，降低企業(yè)的安全生產事故。

1 智能小車功能

1.1 自主導航及避障功能

智能巡檢小車可以在無人操作的情況下根據事前輸入的路徑規(guī)劃信息或事先布置的路徑標記，利用已安裝的避障傳感器和尋跡傳感器自主避開巡檢線路上的障礙物，實現(xiàn)自動巡航。

1.2 泄漏氣體檢測

智能小車可以利用搭載的氣體傳感器對泄漏氣體及其濃度進行實時監(jiān)測，當檢測環(huán)境中有害氣體濃度超過預設的閾值時，智能小車會停止運行，并發(fā)出報警信號。

1.3 GPS 定位

當智能小車檢測到超標的泄漏氣體濃度時，會在報警的同時，將異常情況發(fā)生的泄漏源坐標，快速準確的傳遞給工作人員，以便快速實施應急措施，減少人員和財產損失。

設計基于STM32 單片機的智能巡檢小車，可以實現(xiàn)氣體泄漏源的實時監(jiān)測。其中，微控制器部分是整個智能巡檢小車系統(tǒng)的“大腦”，負責控制智能小車的運動、泄漏氣體的檢測與信息反饋；各類傳感器部分是系統(tǒng)的“感覺器官”，是實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)功能不可或缺的部分；良好的通信傳輸系統(tǒng)能夠實現(xiàn)工作人員對于氣體泄漏濃度的實時監(jiān)測。智能巡檢小車硬件系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 電機驅動模塊

智能小車選用的是直流電機，工作電壓為3～6 V，無負載電流70 mA。為此選用L293D 電機驅動芯片，最高工作電壓可以達到36 V，瞬時峰值電流可達2 A，可以驅動直流電機、繼電器線圈等感性負載。

2.2 避障模塊

超聲波是一種指向性強的高頻聲波，利用超聲波在空氣中已知的傳播速度，采集超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回接收端的時間，從而可以計算出發(fā)射點距離障礙物的實際距離。本文選用HC-SR04 超聲波測距模塊，可以實現(xiàn)20～4000 mm 的非接觸式距離感測，精度可以達到3 mm。但超聲波測距具有一定的盲區(qū)，難以實現(xiàn)近距離障礙物的檢測，為此提出在超聲測距模塊兩側各安置一個HJ-IR2 紅外避障傳感器來彌補超聲測距的缺陷。

2.3 氣體監(jiān)測傳感器

選用MQ-2 傳感器實現(xiàn)對泄漏氣體的檢測，該傳感器采用雙面板設計，配備了電源指示和TTL 信號輸出指示，模擬輸出電壓為0～5.5 V，輸出電壓隨著氣體濃度的升高而增加。具有穩(wěn)定性高、壽命長和響應速度快等優(yōu)點?？捎糜诩彝ト細庑孤┍O(jiān)測，也可用于工廠液化石油氣、丁烷、丙烷、酒精和煙霧等氣體的檢測。

2.4 通信傳輸模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊被用于實現(xiàn)對于氣體泄漏源的定位。該模塊具有167 個信息交換通道，跟蹤靈敏度可達-165 dBm，輸出最大頻率可達20 Hz，可以配合控制器實現(xiàn)泄漏源的準確定位及發(fā)送。為了實現(xiàn)自主巡檢，可以預先鋪設帶有顏色的閉合線路，智能小車可以沿著帶有顏色的線路進行自主移動。

3 軟件程序設計

智能巡檢小車的總體流程如圖2 所示。當智能巡檢小車系統(tǒng)控制器接收到外部傳感器提供的輸入指令時，執(zhí)行對應的處理子程序。當單片機控制器沒有接收到外部發(fā)出的指令時，就執(zhí)行循線運動以及對周圍障礙物的檢測和規(guī)避程序。當智能巡檢小車運動方向周圍存在障礙物，被超聲波測距傳感器或紅外避障傳感器檢測到時，系統(tǒng)轉入避障運動處理子程序，智能巡檢小車開始進行自主避障。如果超聲波傳感器與紅外傳感器檢測到前方沒有障礙物時，移動小車繼續(xù)沿鋪設的軌道線行進。當氣體檢測傳感器MQ-2 檢測到氣體泄漏濃度增大到預警值時，智能巡檢小車將泄漏氣體濃度和GPS 定位模塊測算到的位置通過串口通信，發(fā)送到PC 機。

圖2 程序流程

4 系統(tǒng)測試與分析

測試環(huán)境是在平整的地面上用黑色的寬膠帶紙在地面上鋪設一個不規(guī)則的閉合圈。并在路邊放置一個酒精泄漏源，來模擬工廠危險氣體泄漏狀態(tài)。當打開小車電源時，小車將沿著軌道進行自主運動，并自動停在氣體泄漏源處，發(fā)出報警聲。GPS 開始定位此刻的位置，并將信息通過無線信號發(fā)送到電腦主機。發(fā)回的坐標為112E，37N，高度為815 m。為了模擬小車運行時遭遇障礙物的情形，在運行軌跡上人工設置了障礙物，測試發(fā)現(xiàn)小車可以在遭遇障礙物時成功繞過障礙物，繼續(xù)沿著軌跡運行。系統(tǒng)測試如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)測試

5 結束語

設計了基于STM32 的智能巡檢小車，并完成了實物的制作。測試結果表明該智能小車可以很好的完成自主避障運動，危險氣體檢測、氣體泄漏源定位和循線運動等預期功能，驗證了設計方案及軟硬件系統(tǒng)及算法的可行性和有效性。

太原工業(yè)學院應用性課程建設項目：“基于微課翻轉課堂的DSP 應用性課程建設”項目編號：2017YJ07Y。