基于物聯網技術的智能紡紗車間環境監控與火災預警系統

白淵銘，吳晨旭，張 靖，謝嘉飛

（太原師范學院，山西 晉中 030619）

0 引 言

紡織企業的大部分原料燃點很低，如棉花（210 ℃），棉纖維（150 ℃）等[1-2]，而棉纖維比木材燃燒速度快15%～26%。在工廠中，棉絮、棉卷隨處可見，一旦起火就會迅速蔓延[3]。紡紗機器長時間運轉、電氣故障、供電線路老化、棉條中殘留金屬顆粒等都有可能導致發生火災，之后將空中彌漫的棉絮引燃，迅速擴散，最終釀成大火。面對這一問題，傳統紡織車間多在房屋鋼筋支架處安裝煙霧報警器，或采用單一傳感器對火災進行探測，憑經驗設定閾值[4]。但由于車間較大，探測區域無法全面有效覆蓋，導致火災發生時無法精確定位。傳統檢測火源的傳感器裝置在安裝后不可更換位置，且為有線方式，布線繁瑣，導致產品使用效果不理想。因此，如何改進傳感器設計，優化火災預警算法是值得深入研究的內容。本文結合晉中市某紡織企業對生產中火災預警的實際需求，設計了一款新型火災預警系統。該系統結合物聯網技術、嵌入式技術及機器學習技術等，利用傳感器采集當前環境信息，通過智能控制程序實現火災預警和紡織車間的溫度調控。該系統具有功耗低、成本低、穩定性高、便于安裝等特點，應用前景廣闊。

1 系統總體設計

系統總體設計框架如圖1所示。環境火災預警傳感器可根據紡車長度和環境區域安裝至棉紗桶上或車體上。傳感器集成多個環境參數的采集，可同時對車間環境采集溫度、濕度、火焰、煙霧顆粒。系統選用德州儀器出品的CC2530芯片作為內核，可實現ZigBee自組網、控制傳感器采集數據、發送數據至STM32核心控制裝置等。該裝置不僅是ZigBee網絡的協調器，也是電氣火災采集器的控制器。電氣火災采集器由電壓傳感器、電流傳感器、剩余電流互感器、溫度傳感器、分勵脫扣器等組成。通過傳感器對工廠交流線纜各類參數進行采集與監控，將環境火災預警數據與電氣火災預警數據進行統一編碼，基于MQTT協議，通過4G模塊將數據發送至阿里云物聯網數據平臺。數據庫管理基于Hadoop和Spark框架搭建大數據分析平臺。系統主要具備對環境和電氣火災做出預警和遠程控制設備斷電，及對紡紗環境溫度進行調控的能力。

圖1 總體設計框架

2 系統硬件設計

2.1 環境火災預警傳感器

環境火災預警傳感器采用鋰電池供電，其MCU是德州儀器出品的CC2530芯片，內嵌Z-Stack協議棧。該設備作為ZigBee終端節點上電自動檢測網絡并加入指定網絡，通過CC2530硬件外設對溫度傳感器、濕度傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器進行控制并讀取傳感器數據。環境火災預警傳感器原理如圖2所示。

圖2 環境火災預警傳感器原理

2.2 STM32產品核心控制裝置

產品核心控制裝置的MCU使用意法半導體出品的STM32F103芯片，芯片采用Cortex-M3內核，主頻可達72 MHz，具有強大的外設。芯片通過USART1串口與CC2530芯片通信，USART2串口與4G無線模塊進行信息交互，通過USART3串口與工廠變頻器進行信息交互，變頻器對車間風機和水泵進行控制，以調節車間環境溫度。通過ADC采集電器柜線路的電壓、電流、溫度等參數，對電氣安全進行監控，如發生火災，可對車間斷路器、繼電器進行控制，切斷設備電源。電路原理如圖3所示，產品系統架構如圖4所示。

圖3 電路原理

圖4 產品系統架構

3 系統軟件設計

3.1 嵌入式設備軟件設計

3.1.1 環境火災預警傳感器軟件設計

環境火災預警傳感器上電后自動檢測網絡并加入ZigBee網絡，采用低功耗模式定時喚醒，在工作周期內采集數據，并發送至STM32核心控制裝置，隨之該節點進入休眠模式，等待下一周期。

3.1.2 STM32核心控制裝置軟件設計

STM32芯片通過CC2530串口接收環境火災傳感器數據，通過ADC調理電路采集電氣火災傳感器數據并進行編碼組幀。基于MQTT協議，通過4G模塊連接阿里云服務器并實現數據交互，設備軟件流程如圖5所示。

圖5 STM32核心控制裝置軟件流程

3.2 阿里云平臺數據解析腳本

阿里云物聯網平臺采用訂閱機制[5]，利用模型通信topic接收、發送數據。云平臺接收數據后，通過python腳本語言解析數據，并實時顯示在Web界面。腳本解析代碼如圖6所示。

圖6 數據腳本代碼

3.3 頁面實現及系統測試

數據上傳后顯示在Web頁面，實時動態更新數據并記錄。當數據出現異常或即將發生火災時，可第一時間通過Web頁面定位、預警火災位置，進行車間設備斷電控制。Web部分頁面展示如圖7所示。

圖7 Web頁面

4 結 語

物聯網技術的應用是當今智能工業領域的熱點，本設計自主研發傳感器、控制器，并結合阿里云平臺，實現了智能車間的火災預警功能（也可有效調節車間溫度）。在紡織企業車間安裝、加裝此火災預警系統，能起到預警作用，當火災發生時，可以定位火源，第一時間對起火點進行施救，以減少財產損失。本設計具有廣闊的應用前景。