基于物联网技术的智能纺纱车间环境监控与火灾预警系统

白渊铭，吴晨旭，张 靖，谢嘉飞

（太原师范学院，山西 晋中 030619）

0 引 言

纺织企业的大部分原料燃点很低，如棉花（210 ℃），棉纤维（150 ℃）等[1-2]，而棉纤维比木材燃烧速度快15%～26%。在工厂中，棉絮、棉卷随处可见，一旦起火就会迅速蔓延[3]。纺纱机器长时间运转、电气故障、供电线路老化、棉条中残留金属颗粒等都有可能导致发生火灾，之后将空中弥漫的棉絮引燃，迅速扩散，最终酿成大火。面对这一问题，传统纺织车间多在房屋钢筋支架处安装烟雾报警器，或采用单一传感器对火灾进行探测，凭经验设定阈值[4]。但由于车间较大，探测区域无法全面有效覆盖，导致火灾发生时无法精确定位。传统检测火源的传感器装置在安装后不可更换位置，且为有线方式，布线繁琐，导致产品使用效果不理想。因此，如何改进传感器设计，优化火灾预警算法是值得深入研究的内容。本文结合晋中市某纺织企业对生产中火灾预警的实际需求，设计了一款新型火灾预警系统。该系统结合物联网技术、嵌入式技术及机器学习技术等，利用传感器采集当前环境信息，通过智能控制程序实现火灾预警和纺织车间的温度调控。该系统具有功耗低、成本低、稳定性高、便于安装等特点，应用前景广阔。

1 系统总体设计

系统总体设计框架如图1所示。环境火灾预警传感器可根据纺车长度和环境区域安装至棉纱桶上或车体上。传感器集成多个环境参数的采集，可同时对车间环境采集温度、湿度、火焰、烟雾颗粒。系统选用德州仪器出品的CC2530芯片作为内核，可实现ZigBee自组网、控制传感器采集数据、发送数据至STM32核心控制装置等。该装置不仅是ZigBee网络的协调器，也是电气火灾采集器的控制器。电气火灾采集器由电压传感器、电流传感器、剩余电流互感器、温度传感器、分励脱扣器等组成。通过传感器对工厂交流线缆各类参数进行采集与监控，将环境火灾预警数据与电气火灾预警数据进行统一编码，基于MQTT协议，通过4G模块将数据发送至阿里云物联网数据平台。数据库管理基于Hadoop和Spark框架搭建大数据分析平台。系统主要具备对环境和电气火灾做出预警和远程控制设备断电，及对纺纱环境温度进行调控的能力。

图1 总体设计框架

2 系统硬件设计

2.1 环境火灾预警传感器

环境火灾预警传感器采用锂电池供电，其MCU是德州仪器出品的CC2530芯片，内嵌Z-Stack协议栈。该设备作为ZigBee终端节点上电自动检测网络并加入指定网络，通过CC2530硬件外设对温度传感器、湿度传感器、火焰传感器、烟雾传感器进行控制并读取传感器数据。环境火灾预警传感器原理如图2所示。

图2 环境火灾预警传感器原理

2.2 STM32产品核心控制装置

产品核心控制装置的MCU使用意法半导体出品的STM32F103芯片，芯片采用Cortex-M3内核，主频可达72 MHz，具有强大的外设。芯片通过USART1串口与CC2530芯片通信，USART2串口与4G无线模块进行信息交互，通过USART3串口与工厂变频器进行信息交互，变频器对车间风机和水泵进行控制，以调节车间环境温度。通过ADC采集电器柜线路的电压、电流、温度等参数，对电气安全进行监控，如发生火灾，可对车间断路器、继电器进行控制，切断设备电源。电路原理如图3所示，产品系统架构如图4所示。

图3 电路原理

图4 产品系统架构

3 系统软件设计

3.1 嵌入式设备软件设计

3.1.1 环境火灾预警传感器软件设计

环境火灾预警传感器上电后自动检测网络并加入ZigBee网络，采用低功耗模式定时唤醒，在工作周期内采集数据，并发送至STM32核心控制装置，随之该节点进入休眠模式，等待下一周期。

3.1.2 STM32核心控制装置软件设计

STM32芯片通过CC2530串口接收环境火灾传感器数据，通过ADC调理电路采集电气火灾传感器数据并进行编码组帧。基于MQTT协议，通过4G模块连接阿里云服务器并实现数据交互，设备软件流程如图5所示。

图5 STM32核心控制装置软件流程

3.2 阿里云平台数据解析脚本

阿里云物联网平台采用订阅机制[5]，利用模型通信topic接收、发送数据。云平台接收数据后，通过python脚本语言解析数据，并实时显示在Web界面。脚本解析代码如图6所示。

图6 数据脚本代码

3.3 页面实现及系统测试

数据上传后显示在Web页面，实时动态更新数据并记录。当数据出现异常或即将发生火灾时，可第一时间通过Web页面定位、预警火灾位置，进行车间设备断电控制。Web部分页面展示如图7所示。

图7 Web页面

4 结 语

物联网技术的应用是当今智能工业领域的热点，本设计自主研发传感器、控制器，并结合阿里云平台，实现了智能车间的火灾预警功能（也可有效调节车间温度）。在纺织企业车间安装、加装此火灾预警系统，能起到预警作用，当火灾发生时，可以定位火源，第一时间对起火点进行施救，以减少财产损失。本设计具有广阔的应用前景。