基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室小型火焰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

吳樹平

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引言

高校實驗室是培養(yǎng)學(xué)生和開展科學(xué)研究的重要場所。 隨著我國新工科和“雙高計劃”建設(shè)的推進,高等教育事業(yè)迅速發(fā)展,高校實驗室的配套設(shè)施數(shù)量不斷增加。 由于部分高校實驗室存放危險化學(xué)藥品、大型儀器設(shè)備、壓力容器等,一旦出現(xiàn)煙頭、打火機火焰等小型火焰,極易引燃實驗室的設(shè)備甚至導(dǎo)致實驗室爆炸,從而危及廣大師生的人身安全、公共財產(chǎn)安全與社會環(huán)境安全等。

高職院校擁有大量實驗室,一旦有人員在實訓(xùn)室抽煙,引發(fā)火災(zāi),后果相當嚴重。 尤其高校在接受校外社會人員進校培訓(xùn)時,抽煙群體增多,更需要對煙頭、打火機火焰這種小型火焰進行實時監(jiān)控。 雖然大部分高校實驗室都配備攝像頭監(jiān)控,但是通過攝像頭監(jiān)控,需要花費大量的人力。 因此,基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室小型火焰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)對于實驗室安全管理極為重要。

1 研究現(xiàn)狀

對于火焰監(jiān)測,國內(nèi)外已經(jīng)進行了長時間的理論研究和實際應(yīng)用開發(fā),最常用的就是紅外火焰監(jiān)測器。 這種火焰監(jiān)測器配置多個高靈敏度的紅外傳感器,能夠?qū)μ囟úㄩL范圍的火焰紅外輻射進行監(jiān)測。國內(nèi)外公司都擁有相對成熟的產(chǎn)品,例如國內(nèi)安譽公司的A705/IR2 點型紅外火焰探測器、美國Spectrex INC 公司的單紅外火焰探測器、韓國雷尊泰克的RFD-3000X 三頻紅外火焰探測器等[1]。 市場上大多數(shù)的火焰探測器采用雙波段或三波段紅外的方式進行監(jiān)測,但仍然存在誤報率較高、抗干擾性較差、穩(wěn)定性較低等情況,無法及時地判斷和識別煙頭、打火機火焰等小型火焰。

除了紅外火焰監(jiān)測器,目前市面上常見的火災(zāi)監(jiān)測裝置有溫感、煙感、紫外火焰監(jiān)測器等。 煙霧火焰監(jiān)測器利用煙霧阻隔引起光強度變化進行探測,許多物質(zhì)燃燒不產(chǎn)生煙霧,導(dǎo)致無法及時報警,響應(yīng)時間過長,靈敏度差[2]。 溫感火焰監(jiān)測器利用感溫元件監(jiān)測火焰?zhèn)鲗?dǎo)、輻射傳遞熱量的變化判定是否有火災(zāi)存在;紫外火焰?zhèn)鞲衅骰谕夤怆娦?yīng)和繁流放電原理,對185～260 nm 范圍內(nèi)的火焰窄光譜信號進行探測,可快速準確地探測到煙頭、打火機火焰等小型火焰輻射的紫外光,且監(jiān)測火焰不受日光、燈光等干擾,誤報率低,靈敏度高。 綜上所述,本文選擇紫外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛樾⌒突鹧姹O(jiān)測系統(tǒng)的傳感器在實驗室內(nèi)使用。

1.1 小型火焰監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

本項目采用Arduino Nano 作為核心控制單元,用于處理R2868 傳感器采集到的脈沖信號,并將信號傳輸至聲光報警模塊和WiFi 模塊,同時通過WiFi 模塊傳輸至手機端。 當各個實驗室未出現(xiàn)小型火焰時,各個實驗室對應(yīng)的聲光報警模塊處于待機狀態(tài),但手機端能夠監(jiān)測到各個實驗室的聲光報警模塊狀態(tài);當其中一個實驗室出現(xiàn)小型火焰,實驗室對應(yīng)的聲光報警模塊發(fā)出警報聲,同時手機端能夠收到報警實驗室的信息。

1.2 器件選型

本項目的系統(tǒng)主要分為4 個主要模塊:紫外火焰?zhèn)鞲衅髂K、單片機模塊、報警模塊、WiFi 模塊。

1.2.1 紫外火焰?zhèn)鞲衅?/p>

本文選用R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛榛鹧姹O(jiān)測傳感器。 R2868 是由石英玻璃管和封裝在里面的兩個電極組成[3]。 其中構(gòu)成陰極的金屬材料只對紫外光敏感,當受到紫外照射時就會發(fā)射光電子。 R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅髦粚鹧嬷刑赜械?85 nm～260 nm 波長的紫外線反應(yīng),而對自然光源中其他紫外線并不敏感[4]。對比其他類型的紫外光電管,所選用的R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅黛`敏度極高,反應(yīng)時間短,監(jiān)測視角廣。

1.2.2 主控制芯片

本文采用Arduino Nano 作為核心控制單元。 這款芯片相比于Arduino UNO 來說,體積更小,價格便宜,開發(fā)成本低廉。 Arduino Nano 擁有14 個數(shù)字量I/O 口和8 個模擬量輸入端口,滿足設(shè)計需求,同時它具有超快的信息傳遞速率,適合作為火焰監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片使用。

1.2.3 WiFi 模塊

本研究選用ESP8266 作為WiFi 模塊。 ESP8266具備COM-AP 模式、COM-STATIOM 模式和COM-STA+AP 模式,每個模式都有各自的功能和應(yīng)用場合。 其中串口的無線AP(COM_AP)模式是將模塊作為熱點,使用其他的設(shè)備接入到ESP8266 模塊,通過串口來實現(xiàn)信息交互。 串口無線STA(COM_STA)模式則是將模塊作為客戶端,用于將模塊接入其他熱點來構(gòu)成WiFi網(wǎng)絡(luò)。 而串口無線AP+STA(COM_AP&STA)模式則是既能將模塊作為熱點供其他設(shè)備接入,又可以接入到其他WiFi 網(wǎng)絡(luò),是前兩種模式的整合。

由于湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院所有實訓(xùn)室都安裝路由器,因此可以將所有實訓(xùn)室的ESP8266 WiFi 模塊都設(shè)置成為STA(COM_STA)模式,接入各個實訓(xùn)室對應(yīng)的路由器。 實訓(xùn)人員只需將手機接入任意路由器,便可實現(xiàn)整體監(jiān)測。

2 小型火焰監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 火焰?zhèn)鞲衅黩?qū)動電路設(shè)計

火焰探測器選用基于光電效應(yīng)和繁流放電原理的R2868 型傳感器,其光譜響應(yīng)范圍185～260 nm,可在火焰燃燒發(fā)生瞬間輸出高信噪比的脈沖電流信號[5]。 由于R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅鞣烹妴与妷?80 V,需要使用電源驅(qū)動電路,才能使其正常工作。 電源驅(qū)動電路如圖1 所示,使用WRH12300S-20W 高壓電源模塊能夠?qū)㈦娫措妷荷磷贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅鞯膯与妷?電源的濾波電容能夠使電流更加平順,讓傳感器工作更加穩(wěn)定[6]。

圖1 電源驅(qū)動電路

WRH12300S-20W 的主要特點:

體積小:72.0 mm*50.0 mm*24.0 mm

DIP 封裝:國際標準引腳方式

寬電壓輸入范圍:2 ∶1

效率高達85%

額定輸出功率15～30 W

隔離電壓1500VDC

工作溫度范圍:-40℃～+85℃

2.2 Arduino Nano 控制電路

Arduino Nano 最小控制系統(tǒng)如圖2 所示,Arduino Nano 處理器核心采用ATMega328 芯片,共有14 路數(shù)字輸入/輸出口(其中6 路作為PWM 輸出),8 路模擬信號輸入,一個16 MHz 晶體振蕩器,一個ICSP 接頭和一個復(fù)位電路,具有體積小,性能強大的優(yōu)勢,適合作為小型控制器使用。

圖2 Arduino Nano 最小控制系統(tǒng)

2.3 報警電路

聲光報警電路如圖3 所示,報警電路是通過Arduino Nano 處理器的I/O 口進行驅(qū)動控制的,Arduino Nano 處理器通過輸出脈沖信號,信號經(jīng)過三極管Q1 放大后,驅(qū)動LTE-1101J 聲光報警器,以此來警示實驗室人員和實驗室管理人員。

圖3 聲光報警電路

3 小型火焰監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序流程如圖4 所示,首先需要對單片機進行初始化,打開Arduino 的定時器模塊并設(shè)定參數(shù),判斷Arduino 的I/O 口是否有脈沖信號輸入。 如果檢測到有脈沖信號輸入,計數(shù)器加1;如果沒有脈沖信號輸入,表明該信號為外界干擾所導(dǎo)致的,計數(shù)器清零并重新開始計數(shù)。 當判斷單位時間內(nèi)有連續(xù)脈沖信號輸入,且計數(shù)器的數(shù)值大于設(shè)定的閾值時,說明有火焰產(chǎn)生,Arduino 發(fā)送給聲光報警器和WiFi 模塊,WiFi 模塊將信號傳輸至移動客戶端,警示實驗室管理員;如脈沖信號單位時間內(nèi)沒有達到設(shè)定閾值,表明該信號為干擾信號,計數(shù)器清零并重新開始計數(shù)。 通過系統(tǒng)設(shè)定不同的閾值,讓火焰探測器能夠適用于不同的使用場景。

圖4 主程序流程

4 結(jié)語

本文主要研究針對煙頭、打火機火焰等小型火焰的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以Arduino 作為單片機,通過Arduino 單片機、R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅鳌iFi 模塊、報警模塊等硬件系統(tǒng)和軟件算法,實現(xiàn)小型火焰的監(jiān)測和報警。 測試時,發(fā)現(xiàn)紫外火焰?zhèn)鞲衅鞲袘?yīng)角度小,將系統(tǒng)裝載在云臺上解決此問題。 通過硬件組裝和軟件編寫調(diào)試,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行,實時監(jiān)測小型火焰,并反饋給管理人員,為實驗室的安全管理提供硬件技術(shù)保障。