基于物聯網的實驗室小型火焰監測系統設計與開發

吳樹平

(湖州職業技術學院,浙江 湖州 313000)

0 引言

高校實驗室是培養學生和開展科學研究的重要場所。 隨著我國新工科和“雙高計劃”建設的推進,高等教育事業迅速發展,高校實驗室的配套設施數量不斷增加。 由于部分高校實驗室存放危險化學藥品、大型儀器設備、壓力容器等,一旦出現煙頭、打火機火焰等小型火焰,極易引燃實驗室的設備甚至導致實驗室爆炸,從而危及廣大師生的人身安全、公共財產安全與社會環境安全等。

高職院校擁有大量實驗室,一旦有人員在實訓室抽煙,引發火災,后果相當嚴重。 尤其高校在接受校外社會人員進校培訓時,抽煙群體增多,更需要對煙頭、打火機火焰這種小型火焰進行實時監控。 雖然大部分高校實驗室都配備攝像頭監控,但是通過攝像頭監控,需要花費大量的人力。 因此,基于物聯網的實驗室小型火焰監測系統設計與開發對于實驗室安全管理極為重要。

1 研究現狀

對于火焰監測,國內外已經進行了長時間的理論研究和實際應用開發,最常用的就是紅外火焰監測器。 這種火焰監測器配置多個高靈敏度的紅外傳感器,能夠對特定波長范圍的火焰紅外輻射進行監測。國內外公司都擁有相對成熟的產品,例如國內安譽公司的A705/IR2 點型紅外火焰探測器、美國Spectrex INC 公司的單紅外火焰探測器、韓國雷尊泰克的RFD-3000X 三頻紅外火焰探測器等[1]。 市場上大多數的火焰探測器采用雙波段或三波段紅外的方式進行監測,但仍然存在誤報率較高、抗干擾性較差、穩定性較低等情況,無法及時地判斷和識別煙頭、打火機火焰等小型火焰。

除了紅外火焰監測器,目前市面上常見的火災監測裝置有溫感、煙感、紫外火焰監測器等。 煙霧火焰監測器利用煙霧阻隔引起光強度變化進行探測,許多物質燃燒不產生煙霧,導致無法及時報警,響應時間過長,靈敏度差[2]。 溫感火焰監測器利用感溫元件監測火焰傳導、輻射傳遞熱量的變化判定是否有火災存在;紫外火焰傳感器基于外光電效應和繁流放電原理,對185～260 nm 范圍內的火焰窄光譜信號進行探測,可快速準確地探測到煙頭、打火機火焰等小型火焰輻射的紫外光,且監測火焰不受日光、燈光等干擾,誤報率低,靈敏度高。 綜上所述,本文選擇紫外火焰傳感器作為小型火焰監測系統的傳感器在實驗室內使用。

1.1 小型火焰監測系統總體方案

本項目采用Arduino Nano 作為核心控制單元,用于處理R2868 傳感器采集到的脈沖信號,并將信號傳輸至聲光報警模塊和WiFi 模塊,同時通過WiFi 模塊傳輸至手機端。 當各個實驗室未出現小型火焰時,各個實驗室對應的聲光報警模塊處于待機狀態,但手機端能夠監測到各個實驗室的聲光報警模塊狀態;當其中一個實驗室出現小型火焰,實驗室對應的聲光報警模塊發出警報聲,同時手機端能夠收到報警實驗室的信息。

1.2 器件選型

本項目的系統主要分為4 個主要模塊:紫外火焰傳感器模塊、單片機模塊、報警模塊、WiFi 模塊。

1.2.1 紫外火焰傳感器

本文選用R2868 紫外火焰傳感器作為火焰監測傳感器。 R2868 是由石英玻璃管和封裝在里面的兩個電極組成[3]。 其中構成陰極的金屬材料只對紫外光敏感,當受到紫外照射時就會發射光電子。 R2868 紫外火焰傳感器只對火焰中特有的185 nm～260 nm 波長的紫外線反應,而對自然光源中其他紫外線并不敏感[4]。對比其他類型的紫外光電管,所選用的R2868 紫外火焰傳感器靈敏度極高,反應時間短,監測視角廣。

1.2.2 主控制芯片

本文采用Arduino Nano 作為核心控制單元。 這款芯片相比于Arduino UNO 來說,體積更小,價格便宜,開發成本低廉。 Arduino Nano 擁有14 個數字量I/O 口和8 個模擬量輸入端口,滿足設計需求,同時它具有超快的信息傳遞速率,適合作為火焰監測系統的主控芯片使用。

1.2.3 WiFi 模塊

本研究選用ESP8266 作為WiFi 模塊。 ESP8266具備COM-AP 模式、COM-STATIOM 模式和COM-STA+AP 模式,每個模式都有各自的功能和應用場合。 其中串口的無線AP(COM_AP)模式是將模塊作為熱點,使用其他的設備接入到ESP8266 模塊,通過串口來實現信息交互。 串口無線STA(COM_STA)模式則是將模塊作為客戶端,用于將模塊接入其他熱點來構成WiFi網絡。 而串口無線AP+STA(COM_AP&STA)模式則是既能將模塊作為熱點供其他設備接入,又可以接入到其他WiFi 網絡,是前兩種模式的整合。

由于湖州職業技術學院所有實訓室都安裝路由器,因此可以將所有實訓室的ESP8266 WiFi 模塊都設置成為STA(COM_STA)模式,接入各個實訓室對應的路由器。 實訓人員只需將手機接入任意路由器,便可實現整體監測。

2 小型火焰監測系統硬件電路設計

2.1 火焰傳感器驅動電路設計

火焰探測器選用基于光電效應和繁流放電原理的R2868 型傳感器,其光譜響應范圍185～260 nm,可在火焰燃燒發生瞬間輸出高信噪比的脈沖電流信號[5]。 由于R2868 紫外火焰傳感器放電啟動電壓280 V,需要使用電源驅動電路,才能使其正常工作。 電源驅動電路如圖1 所示,使用WRH12300S-20W 高壓電源模塊能夠將電源電壓升至紫外火焰傳感器的啟動電壓,電源的濾波電容能夠使電流更加平順,讓傳感器工作更加穩定[6]。

圖1 電源驅動電路

WRH12300S-20W 的主要特點:

體積小:72.0 mm*50.0 mm*24.0 mm

DIP 封裝:國際標準引腳方式

寬電壓輸入范圍:2 ∶1

效率高達85%

額定輸出功率15～30 W

隔離電壓1500VDC

工作溫度范圍:-40℃～+85℃

2.2 Arduino Nano 控制電路

Arduino Nano 最小控制系統如圖2 所示,Arduino Nano 處理器核心采用ATMega328 芯片,共有14 路數字輸入/輸出口(其中6 路作為PWM 輸出),8 路模擬信號輸入,一個16 MHz 晶體振蕩器,一個ICSP 接頭和一個復位電路,具有體積小,性能強大的優勢,適合作為小型控制器使用。

圖2 Arduino Nano 最小控制系統

2.3 報警電路

聲光報警電路如圖3 所示,報警電路是通過Arduino Nano 處理器的I/O 口進行驅動控制的,Arduino Nano 處理器通過輸出脈沖信號,信號經過三極管Q1 放大后,驅動LTE-1101J 聲光報警器,以此來警示實驗室人員和實驗室管理人員。

圖3 聲光報警電路

3 小型火焰監測系統軟件設計

主程序流程如圖4 所示,首先需要對單片機進行初始化,打開Arduino 的定時器模塊并設定參數,判斷Arduino 的I/O 口是否有脈沖信號輸入。 如果檢測到有脈沖信號輸入,計數器加1;如果沒有脈沖信號輸入,表明該信號為外界干擾所導致的,計數器清零并重新開始計數。 當判斷單位時間內有連續脈沖信號輸入,且計數器的數值大于設定的閾值時,說明有火焰產生,Arduino 發送給聲光報警器和WiFi 模塊,WiFi 模塊將信號傳輸至移動客戶端,警示實驗室管理員;如脈沖信號單位時間內沒有達到設定閾值,表明該信號為干擾信號,計數器清零并重新開始計數。 通過系統設定不同的閾值,讓火焰探測器能夠適用于不同的使用場景。

圖4 主程序流程

4 結語

本文主要研究針對煙頭、打火機火焰等小型火焰的物聯網監測系統。 該系統以Arduino 作為單片機,通過Arduino 單片機、R2868 紫外火焰傳感器、WiFi 模塊、報警模塊等硬件系統和軟件算法,實現小型火焰的監測和報警。 測試時,發現紫外火焰傳感器感應角度小,將系統裝載在云臺上解決此問題。 通過硬件組裝和軟件編寫調試,本系統能夠穩定運行,實時監測小型火焰,并反饋給管理人員,為實驗室的安全管理提供硬件技術保障。