實驗室消防機器人

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驗室安全。眾所周知，高校實驗室向來被認為是校園中的危險區(qū)域，尤其是生化類實驗室，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的重大損失。如何提高和完善實驗室的安全水平，使實驗室發(fā)揮其最大作用為教育教學服務，是當前實驗室安全管理中面臨的嚴峻顯示問題，必須引起高度重視。本項目應用機器人來盡可能地降低實驗室安全事故的發(fā)生率。我們設計的實驗室機器人采用火光、稀有氣體、有毒氣體等多種傳感器對實驗室環(huán)境進行準確的檢測，并在相應的危險時刻做出相應的應急反應。盡可能地降低事故造成的人員與經濟損失。

關鍵詞：實驗室;機器人;安全Arduino;傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0201-03

1概述

2004年3月2日，學生進行過夜實驗時，其使用的油浴突然起火，幸被巡邏值日及時發(fā)現并未造成損失。在進行長時間的加熱、油浴等實驗時，很容易因實驗者疏忽造成實驗安全事故，該機器人可以在無人值守實驗室實時監(jiān)測實驗室安全。

2008年，某高校食品學院大樓樓頂臨時實驗室突然起火，著火面積達150平方米，經消防員調查為實驗室酒精使用不當。實驗室火災發(fā)生初期如得到及時的撲救會很大程度的降低實驗室財產損失，該機器人采用火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器準確有效的24小時不間斷的檢測實驗室安全情況，可以在火災初期發(fā)出警報而后做出相應的補救。

2015年，清華大學一實驗室發(fā)生火災事故，導致一名實驗人員當場死亡。事故原因為在實驗過程中氫氣泄漏而未發(fā)現，在高溫實驗時引發(fā)氫氣爆炸。實驗室安全關系廣大師生的人身安全與實驗室的財產安全，不容馬虎。該機器人采用可燃氣體傳感器，實時監(jiān)測實驗室的可燃氣體濃度，并在濃度達到危險濃度時發(fā)出警報，提醒實驗人員采取相應措施，能有效地降低實驗室因可燃氣體泄露造成的損失。

2系統方案

實驗室消防機器人由電源模塊、驅動模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊、報警模塊和自由度機械手臂組成。驅動模塊采用履帶式小坦克驅動，左右履帶各使用一個直流電機，可以實現自由轉向功能。監(jiān)測模塊是由火光傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等構成，用來準確的監(jiān)測實驗室環(huán)境。控制模塊采用多塊Arduino控制器，用于數據處理，蜂鳴器、發(fā)光二極管組成報警模塊，當實驗室溫濕度、氧氣含量、可燃氣體濃度等超過預定值時發(fā)出警報。自由度機械手臂由多個數字舵機構成，在檢測到火源時可以精準得對準火源根部利用二氧化碳干粉滅火器進行撲救。實驗室消防機器人系統主要包括6個模塊：Arduino控制器模塊、電源模塊、驅動模塊、監(jiān)測模塊、報警模塊和機械手臂。系統功能如圖1所示。

3功能與指標

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主控板就會根據程序發(fā)出指令。

本系統所采用的主控板是Arduino UNO R3開發(fā)板，主控板主要負責接收和處理監(jiān)測模塊輸出的信號，在接收到信號后控制驅動模塊、自由度機械手臂和報警模塊的運轉，完成相應的工作，實現相應的功能。

3.2監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊使用火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鳌⒖扇細怏w傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣濃度傳感器等多種傳感器，用于實時監(jiān)測實驗室環(huán)境。當實驗室發(fā)生火災時，火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到火光值并向控制模塊發(fā)出信號，控制模塊控制驅動模塊和機械手臂進行撲救。溫濕度傳感器實時采集實驗室溫濕度數據，并且在顯示屏幕上顯示當前溫濕度的大小。氧氣濃度傳感器測量實驗室內的氧氣濃度并在顯示屏幕上顯示當前氧氣濃度值，當實驗室氧氣濃度發(fā)生劇烈變化時控制報警模塊發(fā)出警報。可燃氣體濃度達到設定的危險濃度時，可燃氣體傳感器發(fā)出危險警告。二氧化碳傳感器用于監(jiān)測實驗室內二氧化碳含量，并在顯示屏上顯示當前二氧化碳濃度值。

3.2.1煙霧與可燃氣體檢測

本系統采用的是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)點有，反應速度快、穩(wěn)定性強、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體氣敏材料。在一定溫度下，當有煙霧接觸的時候，半導體表面導電率會有變化，而且煙霧濃度越高，導電率會越高，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，或者有火災的前兆出現。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是一個靈敏度調節(jié)旋鈕，在電路中輸出限定電壓。當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)。使用中可以根據實驗實際情況調節(jié)Rp的大小，以實現對靈敏度的調節(jié)。MQ-2的輸出有兩個，一個是數字信號DOUT，輸出檢測到的氣體是否達到設定警報值;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過一個A/D轉換器，將其轉換為數字信號，Arduino接收到該數據，便可以利用程序進行運算，轉化為可見的數字量，顯示在屏幕上。因為輸出電壓比較穩(wěn)定，所以實驗中不需要加入采樣保持器。

3.2.2火光檢測

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

1）火焰?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟?/p>

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

左側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是靈敏度調節(jié)旋鈕，可以設置門檻電壓，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生煙霧，或有可燃性氣體泄漏，然后才可能會燃氣明火。當Arduino收到火焰?zhèn)鞲衅鱾鬟^來的電信號后，已經有警報響起，這時候要做的就是尋找火源，然后通知控制模塊，驅動小車到達火源位置，進行滅火。

3.3電機驅動模塊

驅動模塊由雙履帶底座、直流電機和超聲波傳感器組成。

L293D擴展驅動模塊：

電機驅動板L293D是雙橋驅動芯片，可以驅動一路步進電機或者驅動兩路直流電機，輸出電流最高可達1.2A，且內部自帶ESD保護，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，測量數據超過設定的安全值時蜂鳴器發(fā)出警報，信號到達發(fā)光二極管二極管被點亮。起到警示作用。

3.5機械手臂模塊

3.5.1舵機控制板

51舵機控制板為6路PWM舵機控制器，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鋰電池與電機驅動板連接給驅動電機供電，9V電池給控制模塊與舵機驅動板供電。驅動模塊、監(jiān)測模塊與報警模塊用Arduino 5v電壓輸出口供電，供電結構圖如圖5所示。

4實驗結果

在實驗階段，實驗室消防機器人能相對準確的通過檢測模塊和顯示模塊實時顯示實驗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械臂和滅火器進行滅火。