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    基於物聯網的危化品倉庫遠程監控及巡檢係統設計

      信息來源:   發布時間:2021-07-22  點擊數:

    數據表明危化品事故中,9%發生在倉儲過程。2015年天津港“8·12”瑞海公司危化品倉庫發生特大火災,造成了巨大的人員傷亡和財產損失,震驚了全國上下[1]。隨著我國原油產量和加工量不斷增長,煤化工、天然氣、油頁岩化工發展速度加快,大量危化品亟待存儲。但是,我國危化品倉儲存儲能力有限,更為嚴重的是倉儲管理水平落後,安全管理意識較差,監控機製及巡檢製度沒有落實,導致事故頻發。尤其是一些中小倉庫,以及普遍存在的黑倉庫,帶來了嚴重的安全隱患。

    基於以上現狀,為了滿足危化品倉庫管理的特殊性和專業性,研發了一款基於物聯網的危化品倉庫遠程監控及巡檢係統。在此係統中,將RFID標簽貼在危化品上,標簽上記錄有關危化品的信息,包括其名稱、危險等級、存儲位置等。倉庫牆壁上安裝溫濕度以及氣體傳感器,通過Arduino讀取傳感器獲得的數據並將其發送到電腦或手機,實時監控危化品倉庫環境。另外,采用無人小車沿著固定預設路線巡檢,安裝在小車前端的攝像頭將拍攝到的畫麵通過WiFi模塊傳回到電腦或手機,全方位監控倉庫環境[2]。此設計方案對倉庫內部環境進行全方位監測,及時預警,減少了人力以及財力的消耗,也使得危化品倉庫管理更加安全。

    1 係統總體框架

    基於物聯網的危化品倉庫遠程監控及巡檢係統在遠程監控設計中使用了RFID射頻識別模塊、溫濕度模塊、氣體傳感器模塊。無人巡檢小車則融合了電源模塊、三路紅外傳感模塊、WiFi模塊以及攝像模塊。係統框圖如圖1。

    2 詳細設計

    2.1 倉庫建設要求

    倉庫結構、使用工具、倉庫使用麵積要符合國家標準。倉庫門、窗、照明設備、電器設備、危化品裝卸、搬運所使用的機械工具等均采用不可燃材料。要根據危化品特性來決定儲存區域和儲存種類。在安全監控通用技術方麵,重大危險源安全監控預警係統以及報警係統、電源、資料的備份也必不可少。在本係統中,通過Sketch Up軟件繪製模擬倉庫演示圖,如圖2。

    2.2 氣體傳感器模塊

    根據《危險化學品重大危險源安全監控通用技術規範》,當易燃易爆及有毒物質為氣態或液態,庫區應監控室內外的可燃與有毒氣體濃度。MQ(氣敏元件傳感器)係列氣體傳感器采用活性很高的金屬氧化物半導體作為敏感材料如SnO2。氧負離子會由金屬氧化物半導體加熱後與空氣中的氧氣接觸形成,這將導致金屬氧化物表麵勢壘升高,而可燃氣體能與氧負離子反應從而使表麵勢壘降低,以此檢測氣體濃度[3]

    圖1 危化品倉庫遠程監控及巡檢係統總框

    圖1 危化品倉庫遠程監控及巡檢係統總框   下載原圖


    圖2 危化品倉庫模型

    圖2 危化品倉庫模型   下載原圖


    應用範圍:MQ-2:煙霧;MQ-3:酒精;MQ-4:天然氣;MQ-5、6、9:可燃氣體;MQ-7:一氧化碳;MQ-8:氫氣;MQ-131:臭氧;MQ-135:空氣汙染;MQ-136:硫化氫;MQ-137:氨氣;MQ-138:有機蒸汽等。

    2.3 溫濕度傳感模塊

    除了檢測氣體濃度,危化品倉庫對溫度和濕度的要求也很高,溫濕度變化過大很可能導致安全隱患。根據《危險化學品重大危險源安全監控通用技術規範》,倉庫周圍的環境溫度、濕度應實時監控,以便在溫濕度驟變時采取有效應對措施。例如,當夏季庫區溫度過高時,可以及時做出決策,避免易燃易爆化學品達到燃點引發事故[3]

    溫濕度傳感係統使用DHT11溫濕度傳感模塊[4],這是一種溫度和濕度複合傳感器。它采用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術確保了其高可靠性和出色的長期穩定性。除此之外,它對環境變化十分敏感,對其餘因素的影響抗性強,性價比很高。

    2.4 RFID技術

    傳統條碼易損壞、易被汙染、掃描距離近,不適合運用於危化品的出、入庫,因此可以用RFID技術替代。RFID標簽分為兩類,以有源和無源來區分。有源標簽自帶電池,附著在物品標簽上的數據可通過電磁場傳送出去,終端閱讀器便能自動接收到磁場,從而達到追蹤物品的目的。無源標簽采用波束供電技術,把接受到的讀寫器射頻能量轉化為電能,為標簽內電路供電。射頻識別係統最重要的優點是非接觸識別,它能穿透固態及氣態的非金屬透明材料來閱讀標簽[5],包括塗料、油漆,並且讀取速度很快,大多數情況下不到100毫秒。危化品對環境有著十分嚴苛的要求,使用RFID技術使其可以在絕大多數環境下自由、快速地讀出危化品信息。

    RFID標簽可使用EPC(Electronic Product Code)編碼,在倉庫門口設置RFID閱讀器,將其接到電腦上便可直接讀出標簽內容並顯示到可顯示文本之處,例如Excel表、Word文檔。

    3 小車巡檢設計

    本係統還設計了小車智能巡檢。小車沿著倉庫內預設路線巡檢,實時傳回圖像,同時小車終端也攜帶多種傳感器,可動態測量倉庫內數據。尤其當倉庫發生狀況,工作人員進去有危險的時候,小車可替代人工進行巡檢查看。

    3.1 小車結構

    小車安裝了L293D四驅穩壓拓展板和集成2個H橋的L293D電機驅動芯片,從而實現各個馬達獨立驅動運行。此外,小車包含紅外接收頭,支持2路舵機,擁有WIFI、超聲波、藍牙、紅外避障、紅外循跡接口。

    小車采用STM32F103ZET6係統板,通過Keil編譯與STLink串口下載能將程序燒錄到板中。這款係統板最高支持72 MHz工作頻率,帶有64K字節SRAM和256K閃存程序存儲器。

    3.2 小車攝像

    小車攝像頭模塊采用RAK5206高清圖傳[6],使用5V電壓為其供電。硬件鏡頭則使用全玻璃光學鏡頭,調焦後十分清晰。視頻輸出格式為Mjpeg,可以很方便地保存在電腦中。WiFi模塊采用EP-N8508無線網卡,將小車接收到的圖像傳輸到電腦中。電腦端則安裝有OpenWrt固件、UVC攝像頭驅動、Ser2net串口轉發軟件、mjpg-streamer視頻解析軟件等。

    3.3 循跡算法設計

    在本設計中,在倉庫中預設固定路線,采取紅外探測法使小車在白色地板上沿黑線行走,本方案采用三路紅外循跡模塊,通過編程實現各種複雜線路巡檢。

    紅外尋跡模塊由一體化反射型光電探測器RPR220組成[7],其排列十分緊密,從左到右,共3個,同時向前發、收紅外光。因為紅外線在不同顏色的物體表麵具有不同的反射強度,紅外模塊在小車行駛過程中會接收到地麵不同的反射光。若紅外光發射到地板上,會產生漫反射,漫反射光被小車上的接收管接收,從而輸出低電平;而黑色具有吸收所有色光的特性,若紅外線照射到黑線上,便不會產生反射光,接收管便不會有反應,從而輸出高電平。單片機依據輸入的電平高低,從而確定小車是否要調整前進的方向[8,9]。為了計算簡便,可將RPR220反射型光電探測器的序號記為k。

    由於紅外發射和接收管組成的尋跡傳感器容易受外在光影響,每路傳感器會根據不同的反光強度輸出不同的電壓,將輸出電壓的最大值與最小值分別記為Vmaxk和Vmink。為了求得小車位置的偏移量P,當小車開始尋跡後,在采樣的某個瞬間,可將某路傳感器A/D采樣值記為Tk。此時收到的數據略有繁瑣,為了更加便捷快速地處理數據,在此采用歸一化的方法,使得數據能夠變為0到1之間的小數,記為Sk。考慮到小車接收到地麵的漫反射光的組成十分多元,而需要的隻有黑色與白色。在這裏芒果app最新下载地址cmg7app便采用圖像二值化方法,將圖像上的灰度值定為0或255,使得單片機處理的數據非1便0,並將其記為Gk

     


    根據以上三個式子,芒果app成年版下载污便可求得小車位置偏移量,其中Sk,Smax,Smin,Gk,P分別表示歸一化值、最大值、最小值、圖像二值化後的值、位置偏移量。由上述算法可得,小車前進時,小車中間傳感器處於預設路線上,說明位置偏移量為0,小車繼續前進;當右側傳感器處於預設路線上,位置偏移量為負數;當左側傳感器處於預設路線上,位置偏移量為正數。

    在使用該方法得到小車位置偏移的信息後,可以通過左、右輪速差調節以達到控製小車沿黑線尋跡的目的。為實現該目標,需要調節小車左右電機組的PWM占空比差值。采用PID控製算法[10],一般的位置式數字PID算法的數學模型如下:

     


    最終的尋跡算法如圖3。

    圖3 尋跡算法流程圖

    圖3 尋跡算法流程圖   下載原圖


    4 測試結果

    根據實際測試數據結果顯示,用戶端計算機可對倉庫內部的溫濕度以及氣體的數據進行有效采集,達到了實時監控的目的。數據將保存在Arduino IDE中,便於人員對數據進行查看。實物模型如圖4。

    實際測試中,小車通過尋跡模塊沿黑線運動,能夠十分清晰地將所拍攝到的周圍環境通過WiFi模塊傳送到用戶端計算機。實測結果如圖5、圖6。

    圖4 倉庫實物模型

    圖4 倉庫實物模型   下載原圖


    圖5 小車巡檢

    圖5 小車巡檢   下載原圖


    圖6 pc端視頻監控

    圖6 pc端視頻監控   下載原圖


    5 結束語

    本係統為基於物聯網的危化品倉庫遠程監控及巡檢係統,對危化品倉庫管理係統進行設計,分為遠程監控、小車巡檢兩部分。遠程監控使用Arduino開發板,結合溫濕度傳感器、氣體傳感器和RFID模塊,使其能真正運用到危化品倉庫中;小車巡檢使用STM32開發板,製作小車進行循跡。運用攝像頭技術拍攝周圍環境並反饋至電腦端,具有交互式和創新性。實測顯示,該係統具有自動化程度高、安全性好等特點,可在危化品倉庫管理方麵得到良好應用。




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