基于物联网的实验室小型火焰监测系统设计与开发

吴树平

(湖州职业技术学院,浙江 湖州 313000)

0 引言

高校实验室是培养学生和开展科学研究的重要场所。 随着我国新工科和“双高计划”建设的推进,高等教育事业迅速发展,高校实验室的配套设施数量不断增加。 由于部分高校实验室存放危险化学药品、大型仪器设备、压力容器等,一旦出现烟头、打火机火焰等小型火焰,极易引燃实验室的设备甚至导致实验室爆炸,从而危及广大师生的人身安全、公共财产安全与社会环境安全等。

高职院校拥有大量实验室,一旦有人员在实训室抽烟,引发火灾,后果相当严重。 尤其高校在接受校外社会人员进校培训时,抽烟群体增多,更需要对烟头、打火机火焰这种小型火焰进行实时监控。 虽然大部分高校实验室都配备摄像头监控,但是通过摄像头监控,需要花费大量的人力。 因此,基于物联网的实验室小型火焰监测系统设计与开发对于实验室安全管理极为重要。

1 研究现状

对于火焰监测,国内外已经进行了长时间的理论研究和实际应用开发,最常用的就是红外火焰监测器。 这种火焰监测器配置多个高灵敏度的红外传感器,能够对特定波长范围的火焰红外辐射进行监测。国内外公司都拥有相对成熟的产品,例如国内安誉公司的A705/IR2 点型红外火焰探测器、美国Spectrex INC 公司的单红外火焰探测器、韩国雷尊泰克的RFD-3000X 三频红外火焰探测器等[1]。 市场上大多数的火焰探测器采用双波段或三波段红外的方式进行监测,但仍然存在误报率较高、抗干扰性较差、稳定性较低等情况,无法及时地判断和识别烟头、打火机火焰等小型火焰。

除了红外火焰监测器,目前市面上常见的火灾监测装置有温感、烟感、紫外火焰监测器等。 烟雾火焰监测器利用烟雾阻隔引起光强度变化进行探测,许多物质燃烧不产生烟雾,导致无法及时报警,响应时间过长,灵敏度差[2]。 温感火焰监测器利用感温元件监测火焰传导、辐射传递热量的变化判定是否有火灾存在;紫外火焰传感器基于外光电效应和繁流放电原理,对185～260 nm 范围内的火焰窄光谱信号进行探测,可快速准确地探测到烟头、打火机火焰等小型火焰辐射的紫外光,且监测火焰不受日光、灯光等干扰,误报率低,灵敏度高。 综上所述,本文选择紫外火焰传感器作为小型火焰监测系统的传感器在实验室内使用。

1.1 小型火焰监测系统总体方案

本项目采用Arduino Nano 作为核心控制单元,用于处理R2868 传感器采集到的脉冲信号,并将信号传输至声光报警模块和WiFi 模块,同时通过WiFi 模块传输至手机端。 当各个实验室未出现小型火焰时,各个实验室对应的声光报警模块处于待机状态,但手机端能够监测到各个实验室的声光报警模块状态;当其中一个实验室出现小型火焰,实验室对应的声光报警模块发出警报声,同时手机端能够收到报警实验室的信息。

1.2 器件选型

本项目的系统主要分为4 个主要模块:紫外火焰传感器模块、单片机模块、报警模块、WiFi 模块。

1.2.1 紫外火焰传感器

本文选用R2868 紫外火焰传感器作为火焰监测传感器。 R2868 是由石英玻璃管和封装在里面的两个电极组成[3]。 其中构成阴极的金属材料只对紫外光敏感,当受到紫外照射时就会发射光电子。 R2868 紫外火焰传感器只对火焰中特有的185 nm～260 nm 波长的紫外线反应,而对自然光源中其他紫外线并不敏感[4]。对比其他类型的紫外光电管,所选用的R2868 紫外火焰传感器灵敏度极高,反应时间短,监测视角广。

1.2.2 主控制芯片

本文采用Arduino Nano 作为核心控制单元。 这款芯片相比于Arduino UNO 来说,体积更小,价格便宜,开发成本低廉。 Arduino Nano 拥有14 个数字量I/O 口和8 个模拟量输入端口,满足设计需求,同时它具有超快的信息传递速率,适合作为火焰监测系统的主控芯片使用。

1.2.3 WiFi 模块

本研究选用ESP8266 作为WiFi 模块。 ESP8266具备COM-AP 模式、COM-STATIOM 模式和COM-STA+AP 模式,每个模式都有各自的功能和应用场合。 其中串口的无线AP(COM_AP)模式是将模块作为热点,使用其他的设备接入到ESP8266 模块,通过串口来实现信息交互。 串口无线STA(COM_STA)模式则是将模块作为客户端,用于将模块接入其他热点来构成WiFi网络。 而串口无线AP+STA(COM_AP&STA)模式则是既能将模块作为热点供其他设备接入,又可以接入到其他WiFi 网络,是前两种模式的整合。

由于湖州职业技术学院所有实训室都安装路由器,因此可以将所有实训室的ESP8266 WiFi 模块都设置成为STA(COM_STA)模式,接入各个实训室对应的路由器。 实训人员只需将手机接入任意路由器,便可实现整体监测。

2 小型火焰监测系统硬件电路设计

2.1 火焰传感器驱动电路设计

火焰探测器选用基于光电效应和繁流放电原理的R2868 型传感器,其光谱响应范围185～260 nm,可在火焰燃烧发生瞬间输出高信噪比的脉冲电流信号[5]。 由于R2868 紫外火焰传感器放电启动电压280 V,需要使用电源驱动电路,才能使其正常工作。 电源驱动电路如图1 所示,使用WRH12300S-20W 高压电源模块能够将电源电压升至紫外火焰传感器的启动电压,电源的滤波电容能够使电流更加平顺,让传感器工作更加稳定[6]。

图1 电源驱动电路

WRH12300S-20W 的主要特点:

体积小:72.0 mm*50.0 mm*24.0 mm

DIP 封装:国际标准引脚方式

宽电压输入范围:2 ∶1

效率高达85%

额定输出功率15～30 W

隔离电压1500VDC

工作温度范围:-40℃～+85℃

2.2 Arduino Nano 控制电路

Arduino Nano 最小控制系统如图2 所示,Arduino Nano 处理器核心采用ATMega328 芯片,共有14 路数字输入/输出口(其中6 路作为PWM 输出),8 路模拟信号输入,一个16 MHz 晶体振荡器,一个ICSP 接头和一个复位电路,具有体积小,性能强大的优势,适合作为小型控制器使用。

图2 Arduino Nano 最小控制系统

2.3 报警电路

声光报警电路如图3 所示,报警电路是通过Arduino Nano 处理器的I/O 口进行驱动控制的,Arduino Nano 处理器通过输出脉冲信号,信号经过三极管Q1 放大后,驱动LTE-1101J 声光报警器,以此来警示实验室人员和实验室管理人员。

图3 声光报警电路

3 小型火焰监测系统软件设计

主程序流程如图4 所示,首先需要对单片机进行初始化,打开Arduino 的定时器模块并设定参数,判断Arduino 的I/O 口是否有脉冲信号输入。 如果检测到有脉冲信号输入,计数器加1;如果没有脉冲信号输入,表明该信号为外界干扰所导致的,计数器清零并重新开始计数。 当判断单位时间内有连续脉冲信号输入,且计数器的数值大于设定的阈值时,说明有火焰产生,Arduino 发送给声光报警器和WiFi 模块,WiFi 模块将信号传输至移动客户端,警示实验室管理员;如脉冲信号单位时间内没有达到设定阈值,表明该信号为干扰信号,计数器清零并重新开始计数。 通过系统设定不同的阈值,让火焰探测器能够适用于不同的使用场景。

图4 主程序流程

4 结语

本文主要研究针对烟头、打火机火焰等小型火焰的物联网监测系统。 该系统以Arduino 作为单片机,通过Arduino 单片机、R2868 紫外火焰传感器、WiFi 模块、报警模块等硬件系统和软件算法,实现小型火焰的监测和报警。 测试时,发现紫外火焰传感器感应角度小,将系统装载在云台上解决此问题。 通过硬件组装和软件编写调试,本系统能够稳定运行,实时监测小型火焰,并反馈给管理人员,为实验室的安全管理提供硬件技术保障。