程義軍

（太原工業(yè)學(xué)院，山西太原 030008）

0 引言

化工類企業(yè)存在很多氣體介質(zhì)，其中部分產(chǎn)品是易燃易爆且有毒有害氣體。一旦發(fā)生泄漏事故，又沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，將對(duì)企業(yè)以及周邊的人員和財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失。因此需要有效的巡邏監(jiān)測(cè)來避免事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)手段需要投入大量的人力和物力，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，且對(duì)巡檢人員存在一定的危險(xiǎn)性。為了解決以上問題，設(shè)計(jì)了可以自主移動(dòng)的氣體檢測(cè)智能小車，可以實(shí)現(xiàn)自主巡邏，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有無氣體泄漏，并在檢測(cè)到氣體泄漏時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送泄漏源位置信息。以便工作人員及時(shí)采取應(yīng)急措施，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)，降低企業(yè)的安全生產(chǎn)事故。

1 智能小車功能

1.1 自主導(dǎo)航及避障功能

智能巡檢小車可以在無人操作的情況下根據(jù)事前輸入的路徑規(guī)劃信息或事先布置的路徑標(biāo)記，利用已安裝的避障傳感器和尋跡傳感器自主避開巡檢線路上的障礙物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航。

1.2 泄漏氣體檢測(cè)

智能小車可以利用搭載的氣體傳感器對(duì)泄漏氣體及其濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)環(huán)境中有害氣體濃度超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，智能小車會(huì)停止運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.3 GPS 定位

當(dāng)智能小車檢測(cè)到超標(biāo)的泄漏氣體濃度時(shí)，會(huì)在報(bào)警的同時(shí)，將異常情況發(fā)生的泄漏源坐標(biāo)，快速準(zhǔn)確的傳遞給工作人員，以便快速實(shí)施應(yīng)急措施，減少人員和財(cái)產(chǎn)損失。

設(shè)計(jì)基于STM32 單片機(jī)的智能巡檢小車，可以實(shí)現(xiàn)氣體泄漏源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，微控制器部分是整個(gè)智能巡檢小車系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)控制智能小車的運(yùn)動(dòng)、泄漏氣體的檢測(cè)與信息反饋；各類傳感器部分是系統(tǒng)的“感覺器官”，是實(shí)現(xiàn)巡檢系統(tǒng)功能不可或缺的部分；良好的通信傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作人員對(duì)于氣體泄漏濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能巡檢小車硬件系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車選用的是直流電機(jī)，工作電壓為3～6 V，無負(fù)載電流70 mA。為此選用L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最高工作電壓可以達(dá)到36 V，瞬時(shí)峰值電流可達(dá)2 A，可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載。

2.2 避障模塊

超聲波是一種指向性強(qiáng)的高頻聲波，利用超聲波在空氣中已知的傳播速度，采集超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回接收端的時(shí)間，從而可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的實(shí)際距離。本文選用HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊，可以實(shí)現(xiàn)20～4000 mm 的非接觸式距離感測(cè)，精度可以達(dá)到3 mm。但超聲波測(cè)距具有一定的盲區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)近距離障礙物的檢測(cè)，為此提出在超聲測(cè)距模塊兩側(cè)各安置一個(gè)HJ-IR2 紅外避障傳感器來彌補(bǔ)超聲測(cè)距的缺陷。

2.3 氣體監(jiān)測(cè)傳感器

選用MQ-2 傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏氣體的檢測(cè)，該傳感器采用雙面板設(shè)計(jì)，配備了電源指示和TTL 信號(hào)輸出指示，模擬輸出電壓為0～5.5 V，輸出電壓隨著氣體濃度的升高而增加。具有穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。可用于家庭燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)，也可用于工廠液化石油氣、丁烷、丙烷、酒精和煙霧等氣體的檢測(cè)。

2.4 通信傳輸模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊被用于實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣體泄漏源的定位。該模塊具有167 個(gè)信息交換通道，跟蹤靈敏度可達(dá)-165 dBm，輸出最大頻率可達(dá)20 Hz，可以配合控制器實(shí)現(xiàn)泄漏源的準(zhǔn)確定位及發(fā)送。為了實(shí)現(xiàn)自主巡檢，可以預(yù)先鋪設(shè)帶有顏色的閉合線路，智能小車可以沿著帶有顏色的線路進(jìn)行自主移動(dòng)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

智能巡檢小車的總體流程如圖2 所示。當(dāng)智能巡檢小車系統(tǒng)控制器接收到外部傳感器提供的輸入指令時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的處理子程序。當(dāng)單片機(jī)控制器沒有接收到外部發(fā)出的指令時(shí)，就執(zhí)行循線運(yùn)動(dòng)以及對(duì)周圍障礙物的檢測(cè)和規(guī)避程序。當(dāng)智能巡檢小車運(yùn)動(dòng)方向周圍存在障礙物，被超聲波測(cè)距傳感器或紅外避障傳感器檢測(cè)到時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入避障運(yùn)動(dòng)處理子程序，智能巡檢小車開始進(jìn)行自主避障。如果超聲波傳感器與紅外傳感器檢測(cè)到前方?jīng)]有障礙物時(shí)，移動(dòng)小車?yán)^續(xù)沿鋪設(shè)的軌道線行進(jìn)。當(dāng)氣體檢測(cè)傳感器MQ-2 檢測(cè)到氣體泄漏濃度增大到預(yù)警值時(shí)，智能巡檢小車將泄漏氣體濃度和GPS 定位模塊測(cè)算到的位置通過串口通信，發(fā)送到PC 機(jī)。

圖2 程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

測(cè)試環(huán)境是在平整的地面上用黑色的寬膠帶紙?jiān)诘孛嫔箱佋O(shè)一個(gè)不規(guī)則的閉合圈。并在路邊放置一個(gè)酒精泄漏源，來模擬工廠危險(xiǎn)氣體泄漏狀態(tài)。當(dāng)打開小車電源時(shí)，小車將沿著軌道進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，并自動(dòng)停在氣體泄漏源處，發(fā)出報(bào)警聲。GPS 開始定位此刻的位置，并將信息通過無線信號(hào)發(fā)送到電腦主機(jī)。發(fā)回的坐標(biāo)為112E，37N，高度為815 m。為了模擬小車運(yùn)行時(shí)遭遇障礙物的情形，在運(yùn)行軌跡上人工設(shè)置了障礙物，測(cè)試發(fā)現(xiàn)小車可以在遭遇障礙物時(shí)成功繞過障礙物，繼續(xù)沿著軌跡運(yùn)行。系統(tǒng)測(cè)試如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能巡檢小車，并完成了實(shí)物的制作。測(cè)試結(jié)果表明該智能小車可以很好的完成自主避障運(yùn)動(dòng)，危險(xiǎn)氣體檢測(cè)、氣體泄漏源定位和循線運(yùn)動(dòng)等預(yù)期功能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案及軟硬件系統(tǒng)及算法的可行性和有效性。

太原工業(yè)學(xué)院應(yīng)用性課程建設(shè)項(xiàng)目：“基于微課翻轉(zhuǎn)課堂的DSP 應(yīng)用性課程建設(shè)”項(xiàng)目編號(hào)：2017YJ07Y。