花嶸 張珊

摘 要：針對面粉廠內(nèi)粉塵引起的工作效率降低、塵肺甚至粉塵爆炸等危害，基于現(xiàn)有智能工業(yè)基礎，設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報警控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，以STM32為核心，對面粉廠內(nèi)粉塵濃度、室內(nèi)溫度、濕度、風速等進行監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果對廠內(nèi)設備進行控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠、報警控制及時，能夠滿足面粉廠對實時環(huán)境監(jiān)測和控制的要求。

關(guān)鍵詞：面粉廠;物聯(lián)網(wǎng);報警控制系統(tǒng);ZigBee

DOI：10. 11907/rjdk. 191125

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）004-0111-04

0 引言

面粉廠粉塵危害極大，不僅會導致災難性爆炸事件，還會造成工人塵肺，影響身體健康，危害生命。這些危害雖已引起重視，卻從未消除，國內(nèi)外至今仍會發(fā)生由于粉塵控制不到位而造成的悲劇。加強粉塵檢測和報警，防患于未然才是避免此類事故發(fā)生的根本。面粉廠關(guān)于粉塵濃度的危害，主要與粉塵種類、粉塵顆粒大小、面粉濃度大小、面粉廠內(nèi)溫度、風速、氧氣含量等因素有關(guān)[1-4]。粉塵顆粒小于5um時，對人類有極大危害，會引起塵肺病;粉塵顆粒大于10um時，一般沒有爆炸危險，因為一般面粉粉塵爆炸的下限是9.7g/m3。面粉廠內(nèi)除塵設備多是通過噴水和吹風方法進行降塵處理，存在一定問題，比如：含水量增大可降低粉塵濃度，但在面粉加工時不允許有太多水分;增加風速可降低粉塵濃度，但是風速過大會使工人不適等。在已有經(jīng)驗面前，如何能及時將面粉廠控制在一個安全狀態(tài)，研究出一種可靠的粉塵濃度報警控制系統(tǒng)，是一件見仁見智的事情。

目前關(guān)于面粉廠報警系統(tǒng)的研究不少，比如文獻[5]提出了運用藍牙技術(shù)，進行面粉廠內(nèi)面粉檢測和聲光報警，但只是簡單地進行粉塵濃度檢測，并沒有檢測與其緊密相關(guān)的含氧量、溫度等其它因素;文獻[6]提出了多級控制報警，但缺少對面粉廠內(nèi)危險因素的準確檢測;文獻[7]提出了關(guān)于溫度的報警控制，但是缺少對其它方面的檢測與控制，而且人機交互能力較差。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不僅是科技的巨大進步，更給人們?nèi)粘Ｉ顜砹司薮蟾＠?，其中利用物?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居就大大提高了人們的生活品質(zhì)[8-9];物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)通過對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品進行監(jiān)控、信息采集和遠程控制，解放了勞動力，帶來更高品質(zhì)的產(chǎn)品[10];物聯(lián)網(wǎng)下的工業(yè)，與傳統(tǒng)工業(yè)相比可以極大減少生產(chǎn)時間、提高生產(chǎn)效益，推動經(jīng)濟發(fā)展[11-12]。隨著智能控制技術(shù)發(fā)展，面粉車間內(nèi)粉塵智能報警控制問題亟待解決。

針對已有報警系統(tǒng)的不足，本文設計出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報警控制系統(tǒng)，利用智能控制技術(shù)綜合解決面粉車間內(nèi)粉塵濃度帶來的危險，通過對面粉廠內(nèi)粉塵濃度、溫度、風速、濕度的實時監(jiān)控，對各種信息進行準確分析，發(fā)現(xiàn)并清除隱患，能夠防患于未然，實現(xiàn)面粉車間的及時預警和處理，極大程度上降低面粉廠粉塵濃度帶來的危害，保證面粉車間的生產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)總體設計框架

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[13-16]。ZigBee技術(shù)無線傳感網(wǎng)因低成本、低功耗以及良好的自組網(wǎng)特性和網(wǎng)絡管理功能，被廣泛應用于智能家居控制、遠程監(jiān)控以及遠程工業(yè)監(jiān)控。相比WiFi、藍牙，ZigBee擁有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的特點，更適合智能工業(yè)控制[17-19]。

系統(tǒng)總體設計框架如圖1所示。

系統(tǒng)具有3個模塊：ZigBee節(jié)點采集模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、上位機控制模塊。節(jié)點采集模塊負責無線傳感器對信息的采集，可以實時檢測面粉廠內(nèi)粉塵濃度大小、溫度高低、當前風速值和氧氣含量。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊可以對傳感器采集到的信息進行接收、分析，把處理后的信息和閾值傳輸給上位機;當達到閾值時，把信息提示傳輸給上位機。上位機模塊負責接收微處理器傳過來的信息，進行具體分析，并根據(jù)傳輸過來各值的不同對廠內(nèi)設備下達不同指令，控制設備工作。

1.1 ZigBee節(jié)點采集模塊

無線傳感器檢測面粉廠內(nèi)的環(huán)境信息，并把采集的環(huán)境參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)值表示的離散信號，傳輸?shù)轿⑻幚砥?。系統(tǒng)由粉塵濃度傳感器、風速表、溫度傳感器、氧氣傳感器組成，采用非取樣法連續(xù)檢測粉塵濃度，根據(jù)面粉廠規(guī)模進行設計，把大門作為入風口，把排氣扇作為出風口。根據(jù)一般粉塵采樣點的布置要求和主要檢測影響因素，遵循以下布點原則設置檢測點[20]：①磨粉機作為塵源，兩個磨粉機之間是粉塵濃度和溫度的主要檢測點;②面粉廠內(nèi)墻角處風流不暢且易積淀粉塵，是粉塵濃度和風速的主要檢測點;③車間門窗和排氣扇處是主要風速檢測點;④車間內(nèi)部空間檢測點主要檢測濃度、風速、室內(nèi)溫度、氧氣含量，其中取距離地面1.5m處的檢測點作為呼吸帶粉塵濃度檢測點。

系統(tǒng)采用多個傳感器共同檢測原則，減少失誤，保證正確率。取其共同平均值作為檢測點的當時信息，當其中某一個傳感器跟其它傳感器采集的信息相差較大時，給予提示。選取山東青島市某一面粉車間進行檢測，主要環(huán)境參數(shù)的檢測值如表1所示。

1.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

協(xié)調(diào)器模塊，首先通過按鍵設置各參數(shù)閾值。接收經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化之后各個傳感器所采集的信息，進行分析，通過顯示器顯示當前時間以及測試點的粉塵顆粒大小、粉塵濃度、風速、溫度和閾值，通過GPRS網(wǎng)關(guān)將各值和其閾值信息傳輸給上位機。當某一個或多個信息達到閾值時，進行聲光報警提示，并將超過閾值的信息提示給上位機。其中，傳感器檢測信息和協(xié)調(diào)器處理工作流程如圖2 所示。

1.3 上位機控制模塊

上位機接收經(jīng)過分析后各檢測點的信息，并根據(jù)提示進行具體分析，按照警示信息對不同設備下達不同指令，控制設備工作。其中，上位機接收信號并進行工作的主要流程如圖3所示。

上位機接收協(xié)調(diào)器模塊傳輸?shù)男畔ⅲ鶕?jù)提示信息進行分析，然后控制不同設備進行不同工作。當粉塵濃度超過閾值時，進一步判斷粉塵濃度是否達到爆炸下限值，當達到時，立即通知工作人員進行聲光報警和撥打119消防報警，同時關(guān)閉電源總開關(guān)，防止爆炸。當粉塵濃度處于安全范圍時，進行除塵工作。當室內(nèi)溫度超高閾值時，通知具有制冷作用的排氣扇開始工作;當室內(nèi)濕度超過閾值時，關(guān)閉噴水降塵設備。上位機還可以進行自身參數(shù)設置和對協(xié)調(diào)器閾值進行設置，實現(xiàn)遠程控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

采用STM32F103VET6處理器作為主控芯片，采用具有Mesa測量系統(tǒng)的粉塵濃度傳感器作為粉塵傳感器，利用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，用LCD顯示器、聲光報警器、按鍵等實現(xiàn)對粉塵濃度的實時監(jiān)測。粉塵傳感器采集粉塵濃度和顆粒大小，溫度傳感器可以實時采集車間內(nèi)的溫度信息，風速表采集車間內(nèi)的風速值，濕度傳感器能夠監(jiān)測車間內(nèi)的濕度情況。STM32F103VET6單片機實時通過A/D轉(zhuǎn)換芯片收集粉塵濃度、風速值、濕度值、溫度值，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析處理后，在顯示器屏上顯示當前車間內(nèi)的粉塵濃度、溫度、濕度、風速信息。當測得的車間中粉塵濃度大于預設閾值時，聲光報警器會發(fā)出聲光報警。此時，處理器把當前信息超過閾值的報警信息發(fā)送給上位機，上位機接收信息，并且根據(jù)提示信息報警和采取除塵措施，降低車間內(nèi)的危險性。各個環(huán)境參數(shù)閾值可以通過按鍵或者上位機進行設置。

2.1 ZigBee節(jié)點采集模塊

粉塵濃度傳感器采用具有Mesa測量系統(tǒng)的粉塵濃度傳感器，Mesa測量系統(tǒng)為德國梅沙氣體檢測設備，采用的檢測系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)，實現(xiàn)了對粉塵濃度和粉塵顆粒的同時檢測。溫度傳感器采用分辨率為0.5℃、具有響應性好抗干擾性強的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。氧氣傳感器采用已經(jīng)廣泛用于氧氣濃度測量的氧氣傳感器（O2-A2）。風速測量設備采用防爆型電子風速表，能夠保證在粉塵濃度達到預警值以上時仍然正常工作。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

采用STM32F103VET6處理器作為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器模塊。STM32系列是意法半導體生產(chǎn)的一顆32位單片機，用途非常廣泛，具有arm內(nèi)核、簡單豐富的接口，對各種操作系統(tǒng)支持性較好，并且耗能低、實時性好[21]。

2.3 上位機控制模塊

上位機模塊可以選擇PC或者智能手機。設備是基于面粉廠已有可操縱的智能設備，選擇常見具有制冷功能的排氣系統(tǒng)、除塵設備、窗戶開關(guān)系統(tǒng)、電源開關(guān)控制器、報警系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分包括ZigBee組網(wǎng)模塊和PC機控制模塊。

3.1 ZigBee組網(wǎng)

第一，進行網(wǎng)絡初始化，首先確定ZigBee網(wǎng)絡中有且僅有的一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器;然后進行信道掃描，找到合適的信道;當找到信道后，協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡確定唯一的網(wǎng)絡標識符。第二，節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡，全功能節(jié)點（Full FuncTIon Device，F(xiàn)FD）向協(xié)調(diào)器發(fā)送連接請求，協(xié)調(diào)器接收到信息，分析后同意節(jié)點加入，節(jié)點才能連接。

ZigBee組網(wǎng)方式采用“點對多點ZigBee+GPRS網(wǎng)絡通訊”。溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、風速表對面粉廠進行信息采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過層層傳輸，PC機根據(jù)信息對面粉廠進行遠程檢測和控制。

3.2 PC機控制

利用PC機設計報警系統(tǒng)，用戶需要登錄系統(tǒng)才能進行操作。主要頁面有：①初始化頁面，可以利用PC機對處理器進行初始化設置;②查看頁面，可以點擊查看面粉廠內(nèi)各個檢測點溫度、濕度、含氧量、風速的檢測情況;③預警頁面，可以看到各個檢測超過閾值的具體情況和相應閾值;④設備控制頁面，根據(jù)警示頁面提示的檢測點當前情況對面粉廠內(nèi)各個設備發(fā)送工作指令;⑤報警信息，顯示處于接近危險值的各個參數(shù)，并提示報警。其中設備控制具有自動和人工兩種控制方法，既可以根據(jù)設定參數(shù)進行機器自動報警和自動控制，也可以進行人工控制。除此之外，可以根據(jù)面粉種類進行不同參數(shù)設置。

系統(tǒng)主頁面如圖4所示。

4 結(jié)語

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報警控制系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)，通過對面粉廠內(nèi)各個檢測點實時監(jiān)控，隨時監(jiān)控粉塵濃度、廠內(nèi)溫度、濕度、含氧量等環(huán)境參數(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)存在的危險因素，通過遠程控制就能及時解除隱患。用戶登錄之后進入系統(tǒng)，可了解場內(nèi)各檢測點的環(huán)境動態(tài)，并且及時收到報警提示信息，用戶根據(jù)提示信息通過客戶端對遠程系統(tǒng)發(fā)出工作指令，完成場內(nèi)設備遠程操作。而且，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同加工材料，通過按鍵對協(xié)調(diào)器進行參數(shù)設置，滿足不同用戶需求，通過登錄系統(tǒng)可遠程監(jiān)控廠內(nèi)環(huán)境動態(tài)，操作簡單，功能可靠。智能工廠更能滿足用戶的各種需求，提供更安全的工作環(huán)境，提高工作效率，具有良好的應用前景。

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