王邦洲 趙凱文 胡彬 蘇典發(fā) 陳蕾

摘要：近些年來，社會各界與教育部高度重視實(shí)驗(yàn)室安全。眾所周知，高校實(shí)驗(yàn)室向來被認(rèn)為是校園中的危險區(qū)域，尤其是生化類實(shí)驗(yàn)室，往往與炸藥庫、生化武器庫、毒藥間等相提并論，如在使用中稍有疏忽，便會造成生命與財產(chǎn)的重大損失。如何提高和完善實(shí)驗(yàn)室的安全水平，使實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮其最大作用為教育教學(xué)服務(wù)，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室安全管理中面臨的嚴(yán)峻顯示問題，必須引起高度重視。本項(xiàng)目應(yīng)用機(jī)器人來盡可能地降低實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生率。我們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人采用火光、稀有氣體、有毒氣體等多種傳感器對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，并在相應(yīng)的危險時刻做出相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)。盡可能地降低事故造成的人員與經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室;機(jī)器人;安全Arduino;傳感器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0201-03

1概述

2004年3月2日，學(xué)生進(jìn)行過夜實(shí)驗(yàn)時，其使用的油浴突然起火，幸被巡邏值日及時發(fā)現(xiàn)并未造成損失。在進(jìn)行長時間的加熱、油浴等實(shí)驗(yàn)時，很容易因?qū)嶒?yàn)者疏忽造成實(shí)驗(yàn)安全事故，該機(jī)器人可以在無人值守實(shí)驗(yàn)室實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室安全。

2008年，某高校食品學(xué)院大樓樓頂臨時實(shí)驗(yàn)室突然起火，著火面積達(dá)150平方米，經(jīng)消防員調(diào)查為實(shí)驗(yàn)室酒精使用不當(dāng)。實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生初期如得到及時的撲救會很大程度的降低實(shí)驗(yàn)室財產(chǎn)損失，該機(jī)器人采用火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器準(zhǔn)確有效的24小時不間斷的檢測實(shí)驗(yàn)室安全情況，可以在火災(zāi)初期發(fā)出警報而后做出相應(yīng)的補(bǔ)救。

2015年，清華大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)事故，導(dǎo)致一名實(shí)驗(yàn)人員當(dāng)場死亡。事故原因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中氫氣泄漏而未發(fā)現(xiàn)，在高溫實(shí)驗(yàn)時引發(fā)氫氣爆炸。實(shí)驗(yàn)室安全關(guān)系廣大師生的人身安全與實(shí)驗(yàn)室的財產(chǎn)安全，不容馬虎。該機(jī)器人采用可燃?xì)怏w傳感器，實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的可燃?xì)怏w濃度，并在濃度達(dá)到危險濃度時發(fā)出警報，提醒實(shí)驗(yàn)人員采取相應(yīng)措施，能有效地降低實(shí)驗(yàn)室因可燃?xì)怏w泄露造成的損失。

2系統(tǒng)方案

實(shí)驗(yàn)室消防機(jī)器人由電源模塊、驅(qū)動模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊、報警模塊和自由度機(jī)械手臂組成。驅(qū)動模塊采用履帶式小坦克驅(qū)動，左右履帶各使用一個直流電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向功能。監(jiān)測模塊是由火光傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等構(gòu)成，用來準(zhǔn)確的監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境?？刂颇K采用多塊Arduino控制器，用于數(shù)據(jù)處理，蜂鳴器、發(fā)光二極管組成報警模塊，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫濕度、氧氣含量、可燃?xì)怏w濃度等超過預(yù)定值時發(fā)出警報。自由度機(jī)械手臂由多個數(shù)字舵機(jī)構(gòu)成，在檢測到火源時可以精準(zhǔn)得對準(zhǔn)火源根部利用二氧化碳干粉滅火器進(jìn)行撲救。實(shí)驗(yàn)室消防機(jī)器人系統(tǒng)主要包括6個模塊：Arduino控制器模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、監(jiān)測模塊、報警模塊和機(jī)械手臂。系統(tǒng)功能如圖1所示。

3功能與指標(biāo)

3.1Arduino控制器模塊

Arduino具有Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino包含硬件部分和軟件部分。一是做電路連接的電路板;二是IDE程序開發(fā)環(huán)境。在軟件部分Arduino IED中編寫程序代碼，上傳到電路板后，Arduino主控板就會根據(jù)程序發(fā)出指令。

本系統(tǒng)所采用的主控板是Arduino UNO R3開發(fā)板，主控板主要負(fù)責(zé)接收和處理監(jiān)測模塊輸出的信號，在接收到信號后控制驅(qū)動模塊、自由度機(jī)械手臂和報警模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成相應(yīng)的工作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3.2監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊使用火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅?、可燃?xì)怏w傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣濃度傳感器等多種傳感器，用于實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)時，火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到火光值并向控制模塊發(fā)出信號，控制模塊控制驅(qū)動模塊和機(jī)械手臂進(jìn)行撲救。溫濕度傳感器實(shí)時采集實(shí)驗(yàn)室溫濕度數(shù)據(jù)，并且在顯示屏幕上顯示當(dāng)前溫濕度的大小。氧氣濃度傳感器測量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氧氣濃度并在顯示屏幕上顯示當(dāng)前氧氣濃度值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室氧氣濃度發(fā)生劇烈變化時控制報警模塊發(fā)出警報?？扇?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)定的危險濃度時，可燃?xì)怏w傳感器發(fā)出危險警告。二氧化碳傳感器用于監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)二氧化碳含量，并在顯示屏上顯示當(dāng)前二氧化碳濃度值。

3.2.1煙霧與可燃?xì)怏w檢測

本系統(tǒng)采用的是MQ-2傳感器來完成，MQ-2傳感器集成了煙霧，液化氣、苯、烷、酒精、氫氣等的探測，是一種多氣體探測器，它的優(yōu)點(diǎn)有，反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、電路簡單。

1）氣敏元件

MQ-2傳感器中敏感元件屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。在一定溫度下，當(dāng)有煙霧接觸的時候，半導(dǎo)體表面導(dǎo)電率會有變化，而且煙霧濃度越高，導(dǎo)電率會越高，從傳感器輸出的電阻就會越低，最終輸出的模擬信號越大。

相同的環(huán)境下，不同的氣體會使得傳感器輸出不同的電壓，以此也可以判斷是哪種氣體泄漏，或者有火災(zāi)的前兆出現(xiàn)。下圖是溫度在20℃，相對濕度65%，氧氣濃度為21%，MQ-2傳感器在不同氣體下的電阻值與在純凈空氣下電阻值之比Rs/Rn的變化曲線。

由于該氣敏電阻使用需要一定的溫度，才能得到更加準(zhǔn)確的測量值，所以在封裝傳感器的時候會在其中加入一個電阻絲，讓傳感器維持一定的溫度。下圖是MQ-2的電路原理圖

2）MQ-2I作原理

從QM-N10的4腳輸出的是隨環(huán)境變化的直流信號，加到u1A的引腳2上，Rp是一個靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，在電路中輸出限定電壓。當(dāng)檢測氣體濃度比較高，使得比較器2腳的電壓高于門檻電壓，比較器輸出低電平（OV），此時LED燈亮，可以起到警示作用;當(dāng)檢測氣體濃度相對較低時，比較器輸出高電平，LED燈處于不亮狀態(tài)。使用中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況調(diào)節(jié)Rp的大小，以實(shí)現(xiàn)對靈敏度的調(diào)節(jié)。MQ-2的輸出有兩個，一個是數(shù)字信號DOUT，輸出檢測到的氣體是否達(dá)到設(shè)定警報值;另一個是AOUT，輸出電壓的模擬信號。

從AOUT口輸出的模擬信號可以經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，Arduino接收到該數(shù)據(jù)，便可以利用程序進(jìn)行運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為可見的數(shù)字量，顯示在屏幕上。因?yàn)檩敵鲭妷罕容^穩(wěn)定，所以實(shí)驗(yàn)中不需要加入采樣保持器。

3.2.2火光檢測

該系統(tǒng)使用的火焰?zhèn)鞲衅魇腔谶h(yuǎn)紅外探測的，可以探測火光或一些波長在一定范圍內(nèi)的熱源。它的探測角度能達(dá)到六十度，紅外光的波長在880nm附近時，傳感器的靈敏度可以達(dá)到最大值，在實(shí)際使用中比較實(shí)用。

1）火焰?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟?/p>

通過遠(yuǎn)紅外傳感器將外界紅外光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為模擬電信號，通過電路，便能將該模擬電信號轉(zhuǎn)化為可用的數(shù)字信號，外界紅外光越強(qiáng)，得到的數(shù)字信號值就會越大。下圖是火焰?zhèn)鞲衅鞯碾娐吩韴D。

左側(cè)LED（D1）是電源指示燈，起到提示作用。傳感器具體工作是這樣的過程，傳感器輸出模擬電壓信號，加到比較器的2腳，RVl是靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，可以設(shè)置門檻電壓，通過比較器的3腳輸入，紅外傳感器輸出的電壓是變化的，當(dāng)該電壓高于門檻電壓，比較器輸出低電平（OV），D2指示燈亮起，表示有火光存在。

由于著火一般都是先產(chǎn)生煙霧，或有可燃性氣體泄漏，然后才可能會燃?xì)饷骰?。?dāng)Arduino收到火焰?zhèn)鞲衅鱾鬟^來的電信號后，已經(jīng)有警報響起，這時候要做的就是尋找火源，然后通知控制模塊，驅(qū)動小車到達(dá)火源位置，進(jìn)行滅火。

3.3電機(jī)驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊由雙履帶底座、直流電機(jī)和超聲波傳感器組成。

L293D擴(kuò)展驅(qū)動模塊：

電機(jī)驅(qū)動板L293D是雙橋驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動一路步進(jìn)電機(jī)或者驅(qū)動兩路直流電機(jī)，輸出電流最高可達(dá)1.2A，且內(nèi)部自帶ESD保護(hù)，可防止靜電放電電流對電路損壞和對電路的干擾，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3.4報警模塊

報警模塊由蜂鳴器和二極管組成，測量數(shù)據(jù)超過設(shè)定的安全值時蜂鳴器發(fā)出警報，信號到達(dá)發(fā)光二極管二極管被點(diǎn)亮。起到警示作用。

3.5機(jī)械手臂模塊

3.5.1舵機(jī)控制板

51舵機(jī)控制板為6路PWM舵機(jī)控制器，采用lAP15W4K61S4芯片，供電電壓為6-8.4V。

3.6電源模塊

本系統(tǒng)的供電電源是由一塊12V鋰電池與一塊9V電池組成，12V鋰電池與電機(jī)驅(qū)動板連接給驅(qū)動電機(jī)供電，9V電池給控制模塊與舵機(jī)驅(qū)動板供電。驅(qū)動模塊、監(jiān)測模塊與報警模塊用Arduino 5v電壓輸出口供電，供電結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)室消防機(jī)器人能相對準(zhǔn)確的通過檢測模塊和顯示模塊實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)室溫濕度和危險氣體濃度，在監(jiān)測到火源時控制器控制驅(qū)動模塊向火源移動，在火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源時控制器控制機(jī)械臂和滅火器進(jìn)行滅火。