危化品倉庫激光掃描監(jiān)控系統(tǒng)的設計

劉學君 ，李 京 ，2，盧 浩 ，2，袁碧賢 ，2，戴 波

（1.北京石油化工學院 信息工程學院，北京 102617；2.北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029）

隨著社會物流業(yè)的發(fā)展，物流倉儲的安全性變得越來越重要[1]。其中倉儲危化品由于易燃易爆、有毒、放射性、腐蝕性，具有極大的潛在危險[2]，因此更受關注。2015年天津港8·12特別重大火災爆炸事故[3]猶如一聲晴天驚雷，再次拉緊人們的神經，敲響了警鐘。因此，對危化品倉庫設置一套安全監(jiān)測系統(tǒng)，預防此類事故的發(fā)生是十分有必要的。

目前針對危化品倉庫安全監(jiān)測的主要方法有視頻監(jiān)控、室內定位技術、基于圖像的三維重構[4]。但是，視頻監(jiān)控主要依賴于工作人員在屏幕前的堅守，容易造成視覺疲勞和身心疲倦。室內定位技術的定位誤差還比較大，技術成本高。基于圖像的三維重構受限于當前硬件設備的性能，不便于推廣。因此，本文設計了一套危化品倉庫激光掃描系統(tǒng)，用來對危化品倉庫進行安全監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結構

危化品倉庫激光掃描系統(tǒng)結構由激光掃描點、環(huán)境參數監(jiān)控點、ARM客戶端、組態(tài)王、服務器組成，結構示意如圖1所示。激光掃描點和環(huán)境參數監(jiān)控點是分節(jié)點，分別與電源連接，且通過CAN總線與主節(jié)點ARM客戶端連接。ARM客戶端通過Modbus485總線把數據發(fā)給組態(tài)王顯示，在庫房監(jiān)控主節(jié)點可以通過組態(tài)王看倉庫內情形。服務器上位機通過以太網與主節(jié)點客戶端連接，下發(fā)控制或請求數據指令，接收監(jiān)控數據。

圖1 危化品倉庫激光掃描系統(tǒng)結構示意Fig.1 Schematic diagram of laser scanning system for dangerous chemicals warehouse

2 分節(jié)點部分

激光測距模塊測得激光發(fā)射口與激光遇到的遮擋點的距離，編碼器記錄激光掃描時的角度值，也就是說激光掃描到一點，就同時接收到距離值和角度值，硬件結構如圖2所示。步進電機為激光掃描提供電力驅動，使得激光掃描運行。上電后產生周期性的信號發(fā)送給驅動芯片，經驅動芯片傳給細分驅動之后控制步進電機的運動，同時步進電機通過蝸桿帶動云臺上的激光測距儀的掃描和云臺下的編碼器的運動，將掃描得到的距離值和對應的角度值通過RS-232總線發(fā)送給TIVA，并將數據匯總通過CAN總線傳到主節(jié)點ARM客戶端[5]，進行處理分析。

圖2 激光掃描點示意Fig.2 Schematic diagram of laser scanning point

通過對角度和距離數值的處理與分析，如遇障礙，可以識別出障礙物的形狀與尺寸。激光掃描會得到很多組距離值和角度值，采用最小二乘法數據擬合，通過曲線長度公式計算可得到障礙物的尺寸。數據擬合采用的算法為最小二乘法。設逼近函數為[6-7]

式中：原始數據點為（xi，yi），求使方差取得最小值的（a0，a1，…，an），進而得到逼近函數。曲線長度積分公式為[8]

實驗結果誤差在20 mm～30 mm之間，滿足危化品倉庫安全要求。

每個激光掃描儀能掃描一個面，如圖3所示，多個激光掃描儀能掃描多個平面。把多個激光掃描儀按三維細分放置，可得倉庫多個掃描平面，這樣能全方位監(jiān)測危化品倉庫安全狀態(tài)。初始化運行，記錄正常狀態(tài)時的數據，得到初始數據庫。當數據異常時警醒報警，并在某個監(jiān)控探頭遇到障礙物時，把它所掃描的面得到的異常數據上傳，結合其他探頭得到的數據進行處理和運算，即可推算障礙物的外形和尺寸。

圖3 多激光點掃描示意Fig.3 Schematic diagram of multi laser spot scanning

環(huán)境參數監(jiān)控點結構如圖4所示，包括可燃氣體傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、有毒氣體傳感器和振動傳感器等，能實時監(jiān)控倉庫相關的環(huán)境物理參量，將其轉換成數字信號傳送到德州儀器ARM芯片TIVA，TIVA對接收到的環(huán)境監(jiān)測傳感器上傳的信號進行匯總，通過CAN總線傳到主節(jié)點ARM客戶端，進行處理和分析。

圖4 環(huán)境參數監(jiān)控點示意Fig.4 Schematic diagram of environmental parameter monitoring points

分節(jié)點及通訊程序流程如圖5所示。當激光掃描儀開始掃描時，首先判斷是否有上位機指令，上位機會下發(fā)監(jiān)控狀態(tài)或初始掃描狀態(tài)指令，改變系統(tǒng)運行狀態(tài)。然后通過SPI總線程序讀取編碼器角度值，串口程序讀取激光器掃描距離值，存入對應數據組，最后每隔10 s，數據通過CAN總線上傳上位機監(jiān)測數據1次。

圖5 分節(jié)點及通訊流程Fig.5 Sub node and communication flow chart

3 主節(jié)點部分

主節(jié)點與服務器通訊程序流程如圖6所示，當設備開始運行時，如果服務器下發(fā)控制指令或請求數據指令，則根據不同的指令確定執(zhí)行相應的子程序。然后，每隔10 s，所有監(jiān)控數據通過以太網上傳1次到服務器。

圖6 主節(jié)點與服務器通信流程Fig.6 Main node and server communication flow chart

系統(tǒng)主節(jié)點配備RS-485串口與MCGS觸摸屏相連；采用Modbus通訊協議，實時傳遞倉庫內部的堆垛檢測情況及溫度檢測狀態(tài)，Modbus通訊協議是工業(yè)上通用的控制器網絡協議，通訊時各數據根據結構不同存儲于不同通道中，比特點位數據存儲于繼電器通道，其他類型數據則存儲于寄存器通道，并在存儲前聲明各數據結構類型。這里觸摸屏僅作為狀態(tài)顯示元件，接收由主節(jié)點傳達來的各堆垛溫度信息、總堆垛數、問題堆垛數以及報警堆垛編號，其他涉及狀態(tài)顯示的比特位有總堆垛情況、溫度報警情況；共計占用2個輸出繼電區(qū)點位，12個輸出寄存器字節(jié)。

MCGS觸摸屏設計的組態(tài)王顯示界面如圖7所示，當堆垛狀態(tài)異常時對應貨位在顯示界面上轉變?yōu)榧t色。

4 服務器部分

服務器端LabVIEW程序包含TCP/IP通訊模塊、數據交換模塊、監(jiān)控數據顯示模塊以及下發(fā)控制指令模塊，結構如圖8所示。TCP/IP通訊模塊打開給定的服務器端口并偵聽數據，將PC機設定為TCP連接的服務器端，TCP/IP通訊模塊接收主節(jié)點發(fā)送的字符串并保存至數據交換模塊；數據交換模塊根據通訊協議將所需的目前監(jiān)控狀態(tài)、報警信息等進行提取進而在監(jiān)控數據顯示模塊上予以顯示。當用戶需要下發(fā)控制指令時，下發(fā)控制指令模塊根據通訊協議形成相應的控制字符串，借助通訊模塊實現對主節(jié)點的控制，此外數據交換模塊也會對所下發(fā)的控制指令予以保存，便于用戶系統(tǒng)管理。

圖7 組態(tài)王界面Fig.7 Kingview interface

圖8 服務器程序系統(tǒng)結構Fig.8 Structure diagram of the host computer system

服務器控制端LabVIEW程序中，創(chuàng)建TCP偵聽器函數作為偵聽器并等待位于服務器7123端口的TCP連接。待連接建立后，服務器接收來自主節(jié)點ARM客戶端的數據并保存為Database的字符串變量；依據通訊協議，服務器可分析Database保存數據中所包含的系統(tǒng)工作狀態(tài)。當服務器端需要下發(fā)控制指令或請求掃描數據庫數據時，可點擊前界面內的對應按鈕，使用寫入TCP數據組件下發(fā)控制字符串，完成對主節(jié)點ARM客戶端的控制。

服務器運行界面如圖9所示，用戶選擇不同的庫房選項來觀察各庫房運行狀況，庫房內堆垛狀態(tài)以不同顏色予以區(qū)分，當堆垛正常時為綠色，當堆垛出現報警時相應堆垛監(jiān)控區(qū)將顯示為紅色；系統(tǒng)下發(fā)控制指令時需選擇所要控制的掃描儀起止編號及工作狀態(tài)，點擊下發(fā)控制指令發(fā)出控制指令字符串；當需要調用系統(tǒng)基礎數據庫時可選擇對應掃描儀編號，點擊請求數據庫指令下發(fā)請求字符串。

圖9 系統(tǒng)前面板示意Fig.9 Schematic diagram of the system front panel

5 結語

本文設計了一套危化品倉庫激光掃描監(jiān)控系統(tǒng)，保障危化品倉庫的安全，防止發(fā)生火災爆炸及其他安全事故。系統(tǒng)包括分節(jié)點、主節(jié)點和服務器。分節(jié)點有激光掃描點和環(huán)境監(jiān)測點，把收集到的相應參量的數據定時通過CAN總線傳送給主節(jié)點ARM客戶端，主節(jié)點將這些數據進行處理和分析，在組態(tài)王界面顯示，并通過以太網傳送給服務器。服務器端下發(fā)控制指令，為管理員提供監(jiān)控數據顯示，實現異常狀態(tài)報警。實際試驗表明，該系統(tǒng)能很好地實現對倉庫安全狀態(tài)的監(jiān)控的預期目標。

[1]柴保身.我國危險品倉儲業(yè)發(fā)展現狀與展望[J].物流工程與管理，2009，31（12）：19-23.

[2]江帆.危險化學品倉儲堆垛安全距離的三維網格化監(jiān)測技術研究[D].北京：北京化工大學，2016

[3]天津港“8·12”特別重大火災爆炸事故調查報告公布[J].消防界：電子版，2016（2）：35-40.

[4]劉學君，江帆，戴波，等.基于激光測距儀的危化品倉庫堆垛安全距離的網格化監(jiān)測方案[C]//中國自動化大會，2015.

[5]劉學君，江帆，戴波，等.基于ARM的危化品倉庫堆垛安全距離監(jiān)測裝置的研究與開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2016，38（4）：11-14，25.

[6]徐亦唐.基于最小二乘法的曲線擬合及其在Matlab中的應用[J].電子世界，2013（10）：102-103.

[7]陳良波，鄭亞青.基于最小二乘法的曲線擬合研究[J].無錫職業(yè)技術學院學報，2012，11（5）：52-55.

[8]同濟大學數學教研室.高等數學[M].北京：高等教育出版社，2000.