吳樹(shù)平

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引言

高校實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生和開(kāi)展科學(xué)研究的重要場(chǎng)所。 隨著我國(guó)新工科和“雙高計(jì)劃”建設(shè)的推進(jìn),高等教育事業(yè)迅速發(fā)展,高校實(shí)驗(yàn)室的配套設(shè)施數(shù)量不斷增加。 由于部分高校實(shí)驗(yàn)室存放危險(xiǎn)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(jī)火焰等小型火焰,極易引燃實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室爆炸,從而危及廣大師生的人身安全、公共財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)環(huán)境安全等。

高職院校擁有大量實(shí)驗(yàn)室,一旦有人員在實(shí)訓(xùn)室抽煙,引發(fā)火災(zāi),后果相當(dāng)嚴(yán)重。 尤其高校在接受校外社會(huì)人員進(jìn)校培訓(xùn)時(shí),抽煙群體增多,更需要對(duì)煙頭、打火機(jī)火焰這種小型火焰進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 雖然大部分高校實(shí)驗(yàn)室都配備攝像頭監(jiān)控,但是通過(guò)攝像頭監(jiān)控,需要花費(fèi)大量的人力。 因此,基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室小型火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室安全管理極為重要。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于火焰監(jiān)測(cè),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的理論研究和實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā),最常用的就是紅外火焰監(jiān)測(cè)器。 這種火焰監(jiān)測(cè)器配置多個(gè)高靈敏度的紅外傳感器,能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)范圍的火焰紅外輻射進(jìn)行監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外公司都擁有相對(duì)成熟的產(chǎn)品,例如國(guó)內(nèi)安譽(yù)公司的A705/IR2 點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器、美國(guó)Spectrex INC 公司的單紅外火焰探測(cè)器、韓國(guó)雷尊泰克的RFD-3000X 三頻紅外火焰探測(cè)器等[1]。 市場(chǎng)上大多數(shù)的火焰探測(cè)器采用雙波段或三波段紅外的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè),但仍然存在誤報(bào)率較高、抗干擾性較差、穩(wěn)定性較低等情況,無(wú)法及時(shí)地判斷和識(shí)別煙頭、打火機(jī)火焰等小型火焰。

除了紅外火焰監(jiān)測(cè)器,目前市面上常見(jiàn)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置有溫感、煙感、紫外火焰監(jiān)測(cè)器等。 煙霧火焰監(jiān)測(cè)器利用煙霧阻隔引起光強(qiáng)度變化進(jìn)行探測(cè),許多物質(zhì)燃燒不產(chǎn)生煙霧,導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)報(bào)警,響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),靈敏度差[2]。 溫感火焰監(jiān)測(cè)器利用感溫元件監(jiān)測(cè)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(duì)185～260 nm 范圍內(nèi)的火焰窄光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè),可快速準(zhǔn)確地探測(cè)到煙頭、打火機(jī)火焰等小型火焰輻射的紫外光,且監(jiān)測(cè)火焰不受日光、燈光等干擾,誤報(bào)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(cè)系統(tǒng)的傳感器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。

1.1 小型火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

本項(xiàng)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(hào),并將信號(hào)傳輸至聲光報(bào)警模塊和WiFi 模塊,同時(shí)通過(guò)WiFi 模塊傳輸至手機(jī)端。 當(dāng)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室未出現(xiàn)小型火焰時(shí),各個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警模塊處于待機(jī)狀態(tài),但手機(jī)端能夠監(jiān)測(cè)到各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的聲光報(bào)警模塊狀態(tài);當(dāng)其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)小型火焰,實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)聲,同時(shí)手機(jī)端能夠收到報(bào)警實(shí)驗(yàn)室的信息。

1.2 器件選型

本項(xiàng)目的系統(tǒng)主要分為4 個(gè)主要模塊:紫外火焰?zhèn)鞲衅髂K、單片機(jī)模塊、報(bào)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(cè)傳感器。 R2868 是由石英玻璃管和封裝在里面的兩個(gè)電極組成[3]。 其中構(gòu)成陰極的金屬材料只對(duì)紫外光敏感,當(dāng)受到紫外照射時(shí)就會(huì)發(fā)射光電子。 R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅髦粚?duì)火焰中特有的185 nm～260 nm 波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)反應(yīng),而對(duì)自然光源中其他紫外線(xiàn)并不敏感[4]。對(duì)比其他類(lèi)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(shí)間短,監(jiān)測(cè)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(lái)說(shuō),體積更小,價(jià)格便宜,開(kāi)發(fā)成本低廉。 Arduino Nano 擁有14 個(gè)數(shù)字量I/O 口和8 個(gè)模擬量輸入端口,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求,同時(shí)它具有超快的信息傳遞速率,適合作為火焰監(jiān)測(cè)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(gè)模式都有各自的功能和應(yīng)用場(chǎng)合。 其中串口的無(wú)線(xiàn)AP(COM_AP)模式是將模塊作為熱點(diǎn),使用其他的設(shè)備接入到ESP8266 模塊,通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交互。 串口無(wú)線(xiàn)STA(COM_STA)模式則是將模塊作為客戶(hù)端,用于將模塊接入其他熱點(diǎn)來(lái)構(gòu)成WiFi網(wǎng)絡(luò)。 而串口無(wú)線(xiàn)AP+STA(COM_AP&STA)模式則是既能將模塊作為熱點(diǎn)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(shí)訓(xùn)室都安裝路由器,因此可以將所有實(shí)訓(xùn)室的ESP8266 WiFi 模塊都設(shè)置成為STA(COM_STA)模式,接入各個(gè)實(shí)訓(xùn)室對(duì)應(yīng)的路由器。 實(shí)訓(xùn)人員只需將手機(jī)接入任意路由器,便可實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)測(cè)。

2 小型火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 火焰?zhèn)鞲衅黩?qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

火焰探測(cè)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(hào)[5]。 由于R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅鞣烹妴?dòng)電壓280 V,需要使用電源驅(qū)動(dòng)電路,才能使其正常工作。 電源驅(qū)動(dòng)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?dòng)電壓,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(dòng)電路

WRH12300S-20W 的主要特點(diǎn):

體積小:72.0 mm*50.0 mm*24.0 mm

DIP 封裝:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式

寬電壓輸入范圍:2 ∶1

效率高達(dá)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(hào)輸入,一個(gè)16 MHz 晶體振蕩器,一個(gè)ICSP 接頭和一個(gè)復(fù)位電路,具有體積小,性能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),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(bào)警電路

聲光報(bào)警電路如圖3 所示,報(bào)警電路是通過(guò)Arduino Nano 處理器的I/O 口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的,Arduino Nano 處理器通過(guò)輸出脈沖信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管Q1 放大后,驅(qū)動(dòng)LTE-1101J 聲光報(bào)警器,以此來(lái)警示實(shí)驗(yàn)室人員和實(shí)驗(yàn)室管理人員。

圖3 聲光報(bào)警電路

3 小型火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4 所示,首先需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化,打開(kāi)Arduino 的定時(shí)器模塊并設(shè)定參數(shù),判斷Arduino 的I/O 口是否有脈沖信號(hào)輸入。 如果檢測(cè)到有脈沖信號(hào)輸入,計(jì)數(shù)器加1;如果沒(méi)有脈沖信號(hào)輸入,表明該信號(hào)為外界干擾所導(dǎo)致的,計(jì)數(shù)器清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 當(dāng)判斷單位時(shí)間內(nèi)有連續(xù)脈沖信號(hào)輸入,且計(jì)數(shù)器的數(shù)值大于設(shè)定的閾值時(shí),說(shuō)明有火焰產(chǎn)生,Arduino 發(fā)送給聲光報(bào)警器和WiFi 模塊,WiFi 模塊將信號(hào)傳輸至移動(dòng)客戶(hù)端,警示實(shí)驗(yàn)室管理員;如脈沖信號(hào)單位時(shí)間內(nèi)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定閾值,表明該信號(hào)為干擾信號(hào),計(jì)數(shù)器清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定不同的閾值,讓火焰探測(cè)器能夠適用于不同的使用場(chǎng)景。

圖4 主程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究針對(duì)煙頭、打火機(jī)火焰等小型火焰的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以Arduino 作為單片機(jī),通過(guò)Arduino 單片機(jī)、R2868 紫外火焰?zhèn)鞲衅?、WiFi 模塊、報(bào)警模塊等硬件系統(tǒng)和軟件算法,實(shí)現(xiàn)小型火焰的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。 測(cè)試時(shí),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(tái)上解決此問(wèn)題。 通過(guò)硬件組裝和軟件編寫(xiě)調(diào)試,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小型火焰,并反饋給管理人員,為實(shí)驗(yàn)室的安全管理提供硬件技術(shù)保障。