面粉厂智能报警控制系统设计

花嵘 张珊

摘 要：针对面粉厂内粉尘引起的工作效率降低、尘肺甚至粉尘爆炸等危害，基于现有智能工业基础，设计一种基于物联网的面粉厂智能报警控制系统。系统采用ZigBee技术，以STM32为核心，对面粉厂内粉尘浓度、室内温度、湿度、风速等进行监测，通过监测结果对厂内设备进行控制。实验结果表明，该系统运行稳定、数据传输可靠、报警控制及时，能够满足面粉厂对实时环境监测和控制的要求。

关键词：面粉厂;物联网;报警控制系统;ZigBee

DOI：10. 11907/rjdk. 191125

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）004-0111-04

0 引言

面粉厂粉尘危害极大，不仅会导致灾难性爆炸事件，还会造成工人尘肺，影响身体健康，危害生命。这些危害虽已引起重视，却从未消除，国内外至今仍会发生由于粉尘控制不到位而造成的悲剧。加强粉尘检测和报警，防患于未然才是避免此类事故发生的根本。面粉厂关于粉尘浓度的危害，主要与粉尘种类、粉尘颗粒大小、面粉浓度大小、面粉厂内温度、风速、氧气含量等因素有关[1-4]。粉尘颗粒小于5um时，对人类有极大危害，会引起尘肺病;粉尘颗粒大于10um时，一般没有爆炸危险，因为一般面粉粉尘爆炸的下限是9.7g/m3。面粉厂内除尘设备多是通过喷水和吹风方法进行降尘处理，存在一定问题，比如：含水量增大可降低粉尘浓度，但在面粉加工时不允许有太多水分;增加风速可降低粉尘浓度，但是风速过大会使工人不适等。在已有经验面前，如何能及时将面粉厂控制在一个安全状态，研究出一种可靠的粉尘浓度报警控制系统，是一件见仁见智的事情。

目前关于面粉厂报警系统的研究不少，比如文献[5]提出了运用蓝牙技术，进行面粉厂内面粉检测和声光报警，但只是简单地进行粉尘浓度检测，并没有检测与其紧密相关的含氧量、温度等其它因素;文献[6]提出了多级控制报警，但缺少对面粉厂内危险因素的准确检测;文献[7]提出了关于温度的报警控制，但是缺少对其它方面的检测与控制，而且人机交互能力较差。

物联网技术的蓬勃发展，不仅是科技的巨大进步，更给人们日常生活带来了巨大福利，其中利用物联网技术的智能家居就大大提高了人们的生活品质[8-9];物联网智能农业通过对农业产品进行监控、信息采集和远程控制，解放了劳动力，带来更高品质的产品[10];物联网下的工业，与传统工业相比可以极大减少生产时间、提高生产效益，推动经济发展[11-12]。随着智能控制技术发展，面粉车间内粉尘智能报警控制问题亟待解决。

针对已有报警系统的不足，本文设计出一种基于物联网的面粉厂智能报警控制系统，利用智能控制技术综合解决面粉车间内粉尘浓度带来的危险，通过对面粉厂内粉尘浓度、温度、风速、湿度的实时监控，对各种信息进行准确分析，发现并清除隐患，能够防患于未然，实现面粉车间的及时预警和处理，极大程度上降低面粉厂粉尘浓度带来的危害，保证面粉车间的生产安全。

1 系统总体设计框架

系统采用ZigBee技术，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[13-16]。ZigBee技术无线传感网因低成本、低功耗以及良好的自组网特性和网络管理功能，被广泛应用于智能家居控制、远程监控以及远程工业监控。相比WiFi、蓝牙，ZigBee拥有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率的特点，更适合智能工业控制[17-19]。

系统总体设计框架如图1所示。

系统具有3个模块：ZigBee节点采集模块、ZigBee协调器模块、上位机控制模块。节点采集模块负责无线传感器对信息的采集，可以实时检测面粉厂内粉尘浓度大小、温度高低、当前风速值和氧气含量。ZigBee协调器模块可以对传感器采集到的信息进行接收、分析，把处理后的信息和阈值传输给上位机;当达到阈值时，把信息提示传输给上位机。上位机模块负责接收微处理器传过来的信息，进行具体分析，并根据传输过来各值的不同对厂内设备下达不同指令，控制设备工作。

1.1 ZigBee节点采集模块

无线传感器检测面粉厂内的环境信息，并把采集的环境参数经传感器和A/D转换器转化成二进制数值表示的离散信号，传输到微处理器。系统由粉尘浓度传感器、风速表、温度传感器、氧气传感器组成，采用非取样法连续检测粉尘浓度，根据面粉厂规模进行设计，把大门作为入风口，把排气扇作为出风口。根据一般粉尘采样点的布置要求和主要检测影响因素，遵循以下布點原则设置检测点[20]：①磨粉机作为尘源，两个磨粉机之间是粉尘浓度和温度的主要检测点;②面粉厂内墙角处风流不畅且易积淀粉尘，是粉尘浓度和风速的主要检测点;③车间门窗和排气扇处是主要风速检测点;④车间内部空间检测点主要检测浓度、风速、室内温度、氧气含量，其中取距离地面1.5m处的检测点作为呼吸带粉尘浓度检测点。

系统采用多个传感器共同检测原则，减少失误，保证正确率。取其共同平均值作为检测点的当时信息，当其中某一个传感器跟其它传感器采集的信息相差较大时，给予提示。选取山东青岛市某一面粉车间进行检测，主要环境参数的检测值如表1所示。

1.2 ZigBee协调器模块

协调器模块，首先通过按键设置各参数阈值。接收经过A/D转换器转化之后各个传感器所采集的信息，进行分析，通过显示器显示当前时间以及测试点的粉尘颗粒大小、粉尘浓度、风速、温度和阈值，通过GPRS网关将各值和其阈值信息传输给上位机。当某一个或多个信息达到阈值时，进行声光报警提示，并将超过阈值的信息提示给上位机。其中，传感器检测信息和协调器处理工作流程如图2 所示。

1.3 上位机控制模块

上位机接收经过分析后各检测点的信息，并根据提示进行具体分析，按照警示信息对不同设备下达不同指令，控制设备工作。其中，上位机接收信号并进行工作的主要流程如图3所示。

上位机接收协调器模块传输的信息，根据提示信息进行分析，然后控制不同设备进行不同工作。当粉尘浓度超过阈值时，进一步判断粉尘浓度是否达到爆炸下限值，当达到时，立即通知工作人员进行声光报警和拨打119消防报警，同时关闭电源总开关，防止爆炸。当粉尘浓度处于安全范围时，进行除尘工作。当室内温度超高阈值时，通知具有制冷作用的排气扇开始工作;当室内湿度超过阈值时，关闭喷水降尘设备。上位机还可以进行自身参数设置和对协调器阈值进行设置，实现远程控制功能。

2 系统硬件设计

采用STM32F103VET6处理器作为主控芯片，采用具有Mesa测量系统的粉尘浓度传感器作为粉尘传感器，利用A/D模数转换器转换，用LCD显示器、声光报警器、按键等实现对粉尘浓度的实时监测。粉尘传感器采集粉尘浓度和颗粒大小，温度传感器可以实时采集车间内的温度信息，风速表采集车间内的风速值，湿度传感器能够监测车间内的湿度情况。STM32F103VET6单片机实时通过A/D转换芯片收集粉尘浓度、风速值、湿度值、温度值，经过单片机数据转换分析处理后，在显示器屏上显示当前车间内的粉尘浓度、温度、湿度、风速信息。当测得的车间中粉尘浓度大于预设阈值时，声光报警器会发出声光报警。此时，处理器把当前信息超过阈值的报警信息发送给上位机，上位机接收信息，并且根据提示信息报警和采取除尘措施，降低车间内的危险性。各个环境参数阈值可以通过按键或者上位机进行设置。

2.1 ZigBee节点采集模块

粉尘浓度传感器采用具有Mesa测量系统的粉尘浓度传感器，Mesa测量系统为德国梅沙气体检测设备，采用的检测系统是现有技术，实现了对粉尘浓度和粉尘颗粒的同时检测。温度传感器采用分辨率为0.5℃、具有响应性好抗干扰性强的DS18B20数字温度传感器。氧气传感器采用已经广泛用于氧气浓度测量的氧气传感器（O2-A2）。风速测量设备采用防爆型电子风速表，能够保证在粉尘浓度达到预警值以上时仍然正常工作。

2.2 ZigBee协调器模块

采用STM32F103VET6处理器作为系统的协调器模块。STM32系列是意法半导体生产的一颗32位单片机，用途非常广泛，具有arm内核、简单丰富的接口，对各种操作系统支持性较好，并且耗能低、实时性好[21]。

2.3 上位机控制模块

上位機模块可以选择PC或者智能手机。设备是基于面粉厂已有可操纵的智能设备，选择常见具有制冷功能的排气系统、除尘设备、窗户开关系统、电源开关控制器、报警系统。

3 系统软件设计与实现

系统软件部分包括ZigBee组网模块和PC机控制模块。

3.1 ZigBee组网

第一，进行网络初始化，首先确定ZigBee网络中有且仅有的一个网络协调器;然后进行信道扫描，找到合适的信道;当找到信道后，协调器为网络确定唯一的网络标识符。第二，节点通过协调器加入网络，全功能节点（Full FuncTIon Device，FFD）向协调器发送连接请求，协调器接收到信息，分析后同意节点加入，节点才能连接。

ZigBee组网方式采用“点对多点ZigBee+GPRS网络通讯”。温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、风速表对面粉厂进行信息采集，数据经过层层传输，PC机根据信息对面粉厂进行远程检测和控制。

3.2 PC机控制

利用PC机设计报警系统，用户需要登录系统才能进行操作。主要页面有：①初始化页面，可以利用PC机对处理器进行初始化设置;②查看页面，可以点击查看面粉厂内各个检测点温度、湿度、含氧量、风速的检测情况;③预警页面，可以看到各个检测超过阈值的具体情况和相应阈值;④设备控制页面，根据警示页面提示的检测点当前情况对面粉厂内各个设备发送工作指令;⑤报警信息，显示处于接近危险值的各个参数，并提示报警。其中设备控制具有自动和人工两种控制方法，既可以根据设定参数进行机器自动报警和自动控制，也可以进行人工控制。除此之外，可以根据面粉种类进行不同参数设置。

系统主页面如图4所示。

4 结语

本文设计了一种基于物联网的面粉厂智能报警控制系统，采用ZigBee技术，通过对面粉厂内各个检测点实时监控，随时监控粉尘浓度、厂内温度、湿度、含氧量等环境参数，能够及时发现厂内存在的危险因素，通过远程控制就能及时解除隐患。用户登录之后进入系统，可了解场内各检测点的环境动态，并且及时收到报警提示信息，用户根据提示信息通过客户端对远程系统发出工作指令，完成场内设备远程操作。而且，该系统可以根据不同加工材料，通过按键对协调器进行参数设置，满足不同用户需求，通过登录系统可远程监控厂内环境动态，操作简单，功能可靠。智能工厂更能满足用户的各种需求，提供更安全的工作环境，提高工作效率，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1] 付晓. 面粉车间的粉尘浓度分布及其控制措施研究[D]. 淮南：安徽理工大学，2016.

[2] 赵瑞璋. 面粉厂的粉尘爆炸及其预防措施[J]. 劳动保护，1991（1）：31-32.

[3] 桂彩云，赵鹏. 面粉厂氧气和粉尘浓度检测系统的设计[J]. 国外电子测量技术，2017（11）：114-117.

[4] 刘涛. 温度湿度对制粉效果的影响[J]. 现代面粉工业，2017（3）：11-13.

[5] 肖强，徐冬，王晓超，等. 基于单片机的粉尘监控报警系统研究[J]. 无线互联科技，2017（16）：48-50.

[6] 曹维让，冯权想，杨磊. 过程控制系统在面粉工程项目中的应用[J]. 粮食加工：电子版，2014（11）：26-31.

[7] 李成森. 磨下物温度自动监测报警系统简介[J]. 现代面粉工业，2016（3）：9-11.