花嶸 張珊

摘 要：針對(duì)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(chǔ)，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報(bào)警控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，以STM32為核心，對(duì)面粉廠內(nèi)粉塵濃度、室內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)廠內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠、報(bào)警控制及時(shí)，能夠滿足面粉廠對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制的要求。

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

DOI：10. 11907/rjdk. 191125

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）004-0111-04

0 引言

面粉廠粉塵危害極大，不僅會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性爆炸事件，還會(huì)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(guó)內(nèi)外至今仍會(huì)發(fā)生由于粉塵控制不到位而造成的悲劇。加強(qiáng)粉塵檢測(cè)和報(bào)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(fēng)速、氧氣含量等因素有關(guān)[1-4]。粉塵顆粒小于5um時(shí)，對(duì)人類有極大危害，會(huì)引起塵肺病;粉塵顆粒大于10um時(shí)，一般沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)，因?yàn)橐话忝娣鄯蹓m爆炸的下限是9.7g/m3。面粉廠內(nèi)除塵設(shè)備多是通過(guò)噴水和吹風(fēng)方法進(jìn)行降塵處理，存在一定問(wèn)題，比如：含水量增大可降低粉塵濃度，但在面粉加工時(shí)不允許有太多水分;增加風(fēng)速可降低粉塵濃度，但是風(fēng)速過(guò)大會(huì)使工人不適等。在已有經(jīng)驗(yàn)面前，如何能及時(shí)將面粉廠控制在一個(gè)安全狀態(tài)，研究出一種可靠的粉塵濃度報(bào)警控制系統(tǒng)，是一件見(jiàn)仁見(jiàn)智的事情。

目前關(guān)于面粉廠報(bào)警系統(tǒng)的研究不少，比如文獻(xiàn)[5]提出了運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，進(jìn)行面粉廠內(nèi)面粉檢測(cè)和聲光報(bào)警，但只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，并沒(méi)有檢測(cè)與其緊密相關(guān)的含氧量、溫度等其它因素;文獻(xiàn)[6]提出了多級(jí)控制報(bào)警，但缺少對(duì)面粉廠內(nèi)危險(xiǎn)因素的準(zhǔn)確檢測(cè);文獻(xiàn)[7]提出了關(guān)于溫度的報(bào)警控制，但是缺少對(duì)其它方面的檢測(cè)與控制，而且人機(jī)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(jìn)步，更給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)了巨大福利，其中利用物聯(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(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控、信息采集和遠(yuǎn)程控制，解放了勞動(dòng)力，帶來(lái)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(shí)間、提高生產(chǎn)效益，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)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(bào)警控制問(wèn)題亟待解決。

針對(duì)已有報(bào)警系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報(bào)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(lái)的危險(xiǎn)，通過(guò)對(duì)面粉廠內(nèi)粉塵濃度、溫度、風(fēng)速、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)各種信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析，發(fā)現(xiàn)并清除隱患，能夠防患于未然，實(shí)現(xiàn)面粉車間的及時(shí)預(yù)警和處理，極大程度上降低面粉廠粉塵濃度帶來(lái)的危害，保證面粉車間的生產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[13-16]。ZigBee技術(shù)無(wú)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(luò)管理功能，被廣泛應(yīng)用于智能家居控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控。相比WiFi、藍(lán)牙，ZigBee擁有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，更適合智能工業(yè)控制[17-19]。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

系統(tǒng)具有3個(gè)模塊：ZigBee節(jié)點(diǎn)采集模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、上位機(jī)控制模塊。節(jié)點(diǎn)采集模塊負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器對(duì)信息的采集，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)面粉廠內(nèi)粉塵濃度大小、溫度高低、當(dāng)前風(fēng)速值和氧氣含量。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊可以對(duì)傳感器采集到的信息進(jìn)行接收、分析，把處理后的信息和閾值傳輸給上位機(jī);當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，把信息提示傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收微處理器傳過(guò)來(lái)的信息，進(jìn)行具體分析，并根據(jù)傳輸過(guò)來(lái)各值的不同對(duì)廠內(nèi)設(shè)備下達(dá)不同指令，控制設(shè)備工作。

1.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)采集模塊

無(wú)線傳感器檢測(cè)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(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)，傳輸?shù)轿⑻幚砥?。系統(tǒng)由粉塵濃度傳感器、風(fēng)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(cè)粉塵濃度，根據(jù)面粉廠規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，把大門(mén)作為入風(fēng)口，把排氣扇作為出風(fēng)口。根據(jù)一般粉塵采樣點(diǎn)的布置要求和主要檢測(cè)影響因素，遵循以下布點(diǎn)原則設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)[20]：①磨粉機(jī)作為塵源，兩個(gè)磨粉機(jī)之間是粉塵濃度和溫度的主要檢測(cè)點(diǎn);②面粉廠內(nèi)墻角處風(fēng)流不暢且易積淀粉塵，是粉塵濃度和風(fēng)速的主要檢測(cè)點(diǎn);③車間門(mén)窗和排氣扇處是主要風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn);④車間內(nèi)部空間檢測(cè)點(diǎn)主要檢測(cè)濃度、風(fēng)速、室內(nèi)溫度、氧氣含量，其中取距離地面1.5m處的檢測(cè)點(diǎn)作為呼吸帶粉塵濃度檢測(cè)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器共同檢測(cè)原則，減少失誤，保證正確率。取其共同平均值作為檢測(cè)點(diǎn)的當(dāng)時(shí)信息，當(dāng)其中某一個(gè)傳感器跟其它傳感器采集的信息相差較大時(shí)，給予提示。選取山東青島市某一面粉車間進(jìn)行檢測(cè)，主要環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)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(guò)按鍵設(shè)置各參數(shù)閾值。接收經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化之后各個(gè)傳感器所采集的信息，進(jìn)行分析，通過(guò)顯示器顯示當(dāng)前時(shí)間以及測(cè)試點(diǎn)的粉塵顆粒大小、粉塵濃度、風(fēng)速、溫度和閾值，通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)將各值和其閾值信息傳輸給上位機(jī)。當(dāng)某一個(gè)或多個(gè)信息達(dá)到閾值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警提示，并將超過(guò)閾值的信息提示給上位機(jī)。其中，傳感器檢測(cè)信息和協(xié)調(diào)器處理工作流程如圖2 所示。

1.3 上位機(jī)控制模塊

上位機(jī)接收經(jīng)過(guò)分析后各檢測(cè)點(diǎn)的信息，并根據(jù)提示進(jìn)行具體分析，按照警示信息對(duì)不同設(shè)備下達(dá)不同指令，控制設(shè)備工作。其中，上位機(jī)接收信號(hào)并進(jìn)行工作的主要流程如圖3所示。

上位機(jī)接收協(xié)調(diào)器模塊傳輸?shù)男畔?，根?jù)提示信息進(jìn)行分析，然后控制不同設(shè)備進(jìn)行不同工作。當(dāng)粉塵濃度超過(guò)閾值時(shí)，進(jìn)一步判斷粉塵濃度是否達(dá)到爆炸下限值，當(dāng)達(dá)到時(shí)，立即通知工作人員進(jìn)行聲光報(bào)警和撥打119消防報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉電源總開(kāi)關(guān)，防止爆炸。當(dāng)粉塵濃度處于安全范圍時(shí)，進(jìn)行除塵工作。當(dāng)室內(nèi)溫度超高閾值時(shí)，通知具有制冷作用的排氣扇開(kāi)始工作;當(dāng)室內(nèi)濕度超過(guò)閾值時(shí)，關(guān)閉噴水降塵設(shè)備。上位機(jī)還可以進(jìn)行自身參數(shù)設(shè)置和對(duì)協(xié)調(diào)器閾值進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用STM32F103VET6處理器作為主控芯片，采用具有Mesa測(cè)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(bào)警器、按鍵等實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。粉塵傳感器采集粉塵濃度和顆粒大小，溫度傳感器可以實(shí)時(shí)采集車間內(nèi)的溫度信息，風(fēng)速表采集車間內(nèi)的風(fēng)速值，濕度傳感器能夠監(jiān)測(cè)車間內(nèi)的濕度情況。STM32F103VET6單片機(jī)實(shí)時(shí)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片收集粉塵濃度、風(fēng)速值、濕度值、溫度值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析處理后，在顯示器屏上顯示當(dāng)前車間內(nèi)的粉塵濃度、溫度、濕度、風(fēng)速信息。當(dāng)測(cè)得的車間中粉塵濃度大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，聲光報(bào)警器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。此時(shí)，處理器把當(dāng)前信息超過(guò)閾值的報(bào)警信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收信息，并且根據(jù)提示信息報(bào)警和采取除塵措施，降低車間內(nèi)的危險(xiǎn)性。各個(gè)環(huán)境參數(shù)閾值可以通過(guò)按鍵或者上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置。

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)采集模塊

粉塵濃度傳感器采用具有Mesa測(cè)量系統(tǒng)的粉塵濃度傳感器，Mesa測(cè)量系統(tǒng)為德國(guó)梅沙氣體檢測(cè)設(shè)備，采用的檢測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粉塵濃度和粉塵顆粒的同時(shí)檢測(cè)。溫度傳感器采用分辨率為0.5℃、具有響應(yīng)性好抗干擾性強(qiáng)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(cè)量的氧氣傳感器（O2-A2）。風(fēng)速測(cè)量設(shè)備采用防爆型電子風(fēng)速表，能夠保證在粉塵濃度達(dá)到預(yù)警值以上時(shí)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(dǎo)體生產(chǎn)的一顆32位單片機(jī)，用途非常廣泛，具有arm內(nèi)核、簡(jiǎn)單豐富的接口，對(duì)各種操作系統(tǒng)支持性較好，并且耗能低、實(shí)時(shí)性好[21]。

2.3 上位機(jī)控制模塊

上位機(jī)模塊可以選擇PC或者智能手機(jī)。設(shè)備是基于面粉廠已有可操縱的智能設(shè)備，選擇常見(jiàn)具有制冷功能的排氣系統(tǒng)、除塵設(shè)備、窗戶開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、電源開(kāi)關(guān)控制器、報(bào)警系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

3.1 ZigBee組網(wǎng)

第一，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，首先確定ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且僅有的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器;然后進(jìn)行信道掃描，找到合適的信道;當(dāng)找到信道后，協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡(luò)確定唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。第二，節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，全功能節(jié)點(diǎn)（Full FuncTIon Device，F(xiàn)FD）向協(xié)調(diào)器發(fā)送連接請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到信息，分析后同意節(jié)點(diǎn)加入，節(jié)點(diǎn)才能連接。

ZigBee組網(wǎng)方式采用“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)ZigBee+GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊”。溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、風(fēng)速表對(duì)面粉廠進(jìn)行信息采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)層層傳輸，PC機(jī)根據(jù)信息對(duì)面粉廠進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。

3.2 PC機(jī)控制

利用PC機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)，用戶需要登錄系統(tǒng)才能進(jìn)行操作。主要頁(yè)面有：①初始化頁(yè)面，可以利用PC機(jī)對(duì)處理器進(jìn)行初始化設(shè)置;②查看頁(yè)面，可以點(diǎn)擊查看面粉廠內(nèi)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)溫度、濕度、含氧量、風(fēng)速的檢測(cè)情況;③預(yù)警頁(yè)面，可以看到各個(gè)檢測(cè)超過(guò)閾值的具體情況和相應(yīng)閾值;④設(shè)備控制頁(yè)面，根據(jù)警示頁(yè)面提示的檢測(cè)點(diǎn)當(dāng)前情況對(duì)面粉廠內(nèi)各個(gè)設(shè)備發(fā)送工作指令;⑤報(bào)警信息，顯示處于接近危險(xiǎn)值的各個(gè)參數(shù)，并提示報(bào)警。其中設(shè)備控制具有自動(dòng)和人工兩種控制方法，既可以根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行機(jī)器自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)控制，也可以進(jìn)行人工控制。除此之外，可以根據(jù)面粉種類進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)主頁(yè)面如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面粉廠智能報(bào)警控制系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)，通過(guò)對(duì)面粉廠內(nèi)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)存在的危險(xiǎn)因素，通過(guò)遠(yuǎn)程控制就能及時(shí)解除隱患。用戶登錄之后進(jìn)入系統(tǒng)，可了解場(chǎng)內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)的環(huán)境動(dòng)態(tài)，并且及時(shí)收到報(bào)警提示信息，用戶根據(jù)提示信息通過(guò)客戶端對(duì)遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)出工作指令，完成場(chǎng)內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)程操作。而且，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同加工材料，通過(guò)按鍵對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，滿足不同用戶需求，通過(guò)登錄系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控廠內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)，操作簡(jiǎn)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(yīng)用前景。

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