基于STM32 的加油站火情預(yù)警系統(tǒng)

吳 桐，孫 寧

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

加油站[1]儲(chǔ)存著大量的易燃、易爆、易蒸發(fā)、易滲漏的油品。油蒸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生油蒸汽，油蒸汽與空氣形成的混合物遇高溫或明火時(shí)，極易產(chǎn)生爆炸，并伴有回燃等現(xiàn)象[2]，使爆炸范圍擴(kuò)大，威脅到周圍環(huán)境的安全。而我國(guó)城市加油站被周邊的建筑物所包圍，導(dǎo)致加油站與周邊地區(qū)的安全距離不符合加油站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[3]，周邊區(qū)域環(huán)境安全性低。目前，針對(duì)加油站火情的處理方法主要是人工防范和采用油氣回收技術(shù)。但由于加油站人員流動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)量多，員工監(jiān)控管理難度大，加大了火災(zāi)爆炸的安全隱患；加之油氣回收裝置不穩(wěn)定、氣液比漂浮、密封效果較差、回收效率低等問(wèn)題[4]，導(dǎo)致未能有效提高加油站安全。

文中設(shè)計(jì)的基于STM32 的加油站火情預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)多種傳感器采集火情相關(guān)的溫濕度、煙霧濃度以及風(fēng)速等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，向相關(guān)部門發(fā)送報(bào)警信號(hào)并及時(shí)下達(dá)滅火疏散指令，提高加油站的安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，系統(tǒng)以STM32 處理器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)加油站的火情預(yù)警。加油站內(nèi)放置的多種傳感器[5]對(duì)加油站環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度以及風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集到的加油站火情信息發(fā)送給處理器。處理器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析加油站火情狀況并得出最佳應(yīng)急救援方案，一旦存在安全隱患，則觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)并將滅火應(yīng)急指令發(fā)送到相關(guān)部門。管理員可以通過(guò)上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)預(yù)警，對(duì)加油站火情實(shí)現(xiàn)整體把控。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于STM32 的加油站火情預(yù)警系統(tǒng)的硬件主要包括供電模塊、STM32 主處理器模塊、溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)模塊、煙霧傳感器監(jiān)測(cè)模塊、風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊、GPRS 無(wú)線通信模塊等組成。硬件設(shè)備以STM32 主處理器模塊為核心，對(duì)加油站火情信息進(jìn)行分析、處理；通過(guò)多種傳感器模塊監(jiān)測(cè)火情信息；使用無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

2.1 供電模塊

如圖2 所示，為避免傳感器受到其他硬件的電磁干擾，該模塊進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)。其使用ASM1117 穩(wěn)壓芯片[6]獲取3.3 V 直流電壓，ADC 基準(zhǔn)電源通過(guò)REF193 精密電源芯片獲得。AMS1117 是低漏失三端線性穩(wěn)壓器[7]，芯片內(nèi)包括過(guò)熱保護(hù)模塊和過(guò)流保護(hù)模塊，保證了芯片和系統(tǒng)的安全。REF193 基準(zhǔn)電壓源可以在-40～+85 ℃的溫度條件下工作，適合加油站的工作環(huán)境。該模塊電路輸出電壓電流穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)工作需要。

圖2 供電模塊

2.2 STM32主處理器模塊

該系統(tǒng)的核心硬件在于STM32 處理器，通過(guò)對(duì)加油站火情信息的采集分析，實(shí)現(xiàn)加油站火情的高效預(yù)警。

STM32 處理器[8]基于Cortex-M3 內(nèi)核，它的功耗低、集成度大，具有-40～105 °C 的工作溫度范圍，滿足加油站火情預(yù)警的需求。如圖3 所示，處理器以STM32F101C8T6 為核心，具有多達(dá)16 kbit 的SRAM 1×12 位ADC 溫度傳感器，兼容5 V 的I/O 管腳；帶有FPU 和DSP 指令集；工作頻率高達(dá)到168 MHz，具備210 DMIPS 的處理能力。

圖3 STM32電路

2.3 溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)模塊

該模塊采用SHT11 傳感器[9]獲取加油站溫濕度信息。如圖4 所示，傳感器SHT11 是基于CMOS 技術(shù)[10]的新型智能溫濕度傳感器。該傳感器無(wú)需外部模擬電路，可直接被微控制器訪問(wèn)，具有精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、反應(yīng)速度快、能耗低的特點(diǎn)。溫度測(cè)量分辨率是0.01 ℃，并且測(cè)量范圍廣，約-40～+123.8 ℃之間。SHT11 濕度測(cè)量的分辨率同樣很高，約0.03%，測(cè)量范圍約在0～100%之間。

圖4 溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)模塊

2.4 煙霧傳感器監(jiān)測(cè)模塊

該模塊采用MQ-2 煙霧傳感器[11]獲取加油站煙霧濃度信息，方便分析處理火情的發(fā)生情況。模塊采用直流5 V 工作電壓供電，如圖5 所示。它具有雙路信號(hào)輸出，當(dāng)輸出信號(hào)為低電平時(shí)，信號(hào)燈亮，可以與單片機(jī)直接連接。該傳感器對(duì)煙霧等有害氣體有較好的靈敏度和穩(wěn)定性，對(duì)加油站煙霧濃度[12]情況可以作出迅速響應(yīng)，獲得準(zhǔn)確信息。

圖5 煙霧傳感器監(jiān)測(cè)模塊

2.5 風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊

該模塊通過(guò)風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加油站風(fēng)速，通過(guò)對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)的分析，判斷火情的蔓延方向和影響范圍。如圖6 所示，該風(fēng)速傳感器采用的是電流電壓原理。當(dāng)有風(fēng)時(shí)，檢測(cè)頭相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使端口3 處的電壓升高，則端口1 輸出低電平信號(hào)，反之輸出高電平信號(hào)，滿足了對(duì)加油站火情覆蓋范圍信息的收集和預(yù)估，經(jīng)過(guò)處理器的分析、計(jì)算和控制，為加油站火情設(shè)計(jì)最佳的撤離方向與路線。

圖6 風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊

2.6 GPRS無(wú)線通信模塊

該模塊采用無(wú)線通信的方式，實(shí)現(xiàn)了各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線通信模塊采用GPRS 技術(shù)[13]，該技術(shù)作為一種無(wú)線通信技術(shù)，具有傳輸速度快、信道資源利用率高[14]、成本低等特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等領(lǐng)域。如圖7 所示，該模塊采用SIM300 芯片[15]，其內(nèi)部集成了強(qiáng)大的TCP/IP 協(xié)議，可以直接建立GPRS 網(wǎng)絡(luò)鏈接，以實(shí)時(shí)收發(fā)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)通過(guò)SIM300 芯片建立GPRS/Internet 網(wǎng)絡(luò)，滿足了加油站火情信息遠(yuǎn)距離快速傳輸?shù)男枰?/p>

圖7 無(wú)線通信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制軟件選用Visual Basic 6.0 設(shè)計(jì)，采用VB 軟件中的窗口控件搭建加油站火情預(yù)警界面。

如圖8 所示，主界面由加油站情況查詢、加油站火情監(jiān)測(cè)、加油站監(jiān)控、設(shè)備檢測(cè)、天氣預(yù)警、個(gè)性化設(shè)置、退出、問(wèn)題反饋按鈕組成，分別負(fù)責(zé)查看加油站工作運(yùn)行情況、監(jiān)測(cè)加油站火情數(shù)據(jù)圖并預(yù)警、查看加油站實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測(cè)加油站火情監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天氣狀況、設(shè)置系統(tǒng)界面、退出系統(tǒng)、反饋用戶意見。左上方顯示當(dāng)前日期和時(shí)間。

圖8 軟件主界面

如圖9 所示，該系統(tǒng)軟件的核心是加油站火情預(yù)警，通過(guò)加油站火情信息的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)火情自動(dòng)預(yù)警和應(yīng)急救援。外界同時(shí)還包括天氣狀況、車流量查詢、設(shè)備檢測(cè)。管理員可以根據(jù)天氣情況發(fā)布天氣預(yù)警[16]，決定加油站是否營(yíng)業(yè)，保證加油站的安全；同時(shí)，管理員還可以查看加油站進(jìn)出車流量情況，維持良好加油秩序；對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修檢測(cè)，保證設(shè)備正常工作。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

如圖10 所示，可以直觀地查看加油站當(dāng)前的溫濕度、風(fēng)速以及煙霧濃度，這些數(shù)據(jù)對(duì)判斷加油站火情具有重要作用。點(diǎn)擊自動(dòng)預(yù)警功能，數(shù)據(jù)到達(dá)閾值時(shí)，會(huì)向相關(guān)工作人員發(fā)送警報(bào)。

圖10 火情監(jiān)測(cè)界面

管理員可以通過(guò)點(diǎn)擊位置分布按鈕查看加油站內(nèi)傳感器放置的位置和監(jiān)測(cè)的范圍，保證傳感器監(jiān)測(cè)范圍全面覆蓋加油站區(qū)域。圖11 是加油站傳感器位置分布界面圖。

圖11 位置分布界面

如圖12 所示，點(diǎn)擊應(yīng)急預(yù)案按鈕可以查看火情影響范圍、附近最佳救援力量以及緊急疏散方案并且可以根據(jù)火情選擇報(bào)警，提高救援的效率。

圖12 應(yīng)急救援界面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以STM32 主處理器為核心，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將加油站火情信息數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后將火情信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，判斷并發(fā)布應(yīng)急疏散方案至相關(guān)部門，最終完成加油站的火情預(yù)警。但加油站火情數(shù)據(jù)收集仍受眾多因素影響，存在誤差，所以要進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。