CN110044406A - 一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法，基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统包括多传感器采集模块、数据查询与转发模块以及上位机接收与显示模块。多传感器采集模块设置于棉垛中，用于检测棉垛的温度、湿度以及CO浓度，数据查询与转发模块电连接多传感器采集模块，上位机接收与显示模块电连接数据查询与转发模块。其中，数据查询与转发模块将多传感器采集模块采集的温度、湿度以及CO浓度数据传输给上位机接收与显示模块，根据该些数据上位机与显示模块对棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。本发明能够进行火情实时监测与阴燃火情预警，对棉垛安全堆放以及棉垛内部状态监控有极其重要的意义。

Description

一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法

技术领域

本发明属于棉垛火情监测技术领域，具体地说，是涉及一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测技术与系统。

背景技术

棉花是关系国计民生的战略物资，是涉及农业和纺织工业两大产业的商品。但同时，棉纤维是各类天然纤维中最具燃烧危险性的一种，氧指数只有18～19，燃点仅为160℃，极易发生燃烧。棉花在我国的危险品分类中属于第四类“易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品”，在装卸、运输、贮存过程中易造成人身伤亡和财产损毁。

目前，关于纤维织品燃烧特性的研究较多，而专门针对棉花燃烧特性的研究还很少，其研究主要针对棉花阴燃的燃烧特性。Wakelyn P J等人的著作介绍了棉花的化学和物理特性、分类、生产和应用的现代考察，Bjarne C.Hagen等人研究了热通量情况对棉花阴燃的影响，结果表明热通量和材料密度均影响阴燃发生的温度。同时他们还研究了棉包密度对棉花阴燃着火温度的影响，结果表明棉花垛实密度的增加导致阴燃起火温度降低同时，阴燃造成的质量损失率随着密度的增加而增加。Chang L等人进行闷烧实验和热分析实验，研究阴燃维持和放热的特点，结果表明随样品宽度不同阴燃有逐渐熄灭、维持、甚至起明火三种情况。王青松等人初步研究了湿度对棉花自燃温度的影响，王进军等人研究了棉花早期阴燃火灾烟气蔓延规律。其他的一些研究大多是定性描述棉花库火灾的危害性及预防措施，还有一些其他研究重点为棉垛温湿度监测系统。综上所述，很少涉及棉花阴燃早期监测技术的研究。

发明内容

本发明针对籽棉纤维具有极高燃烧危险性、棉垛内部阴燃难检测的情况，提供了一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法，以实现棉垛火情实时监测与阴燃火情预警。

为了实现上述目的，本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其包括：多传感器采集模块，设置于棉垛中，用于检测所述棉垛的温度、湿度以及CO浓度；数据查询与转发模块，电连接所述多传感器采集模块；以及上位机接收与显示模块，电连接所述数据查询与转发模块；其中，所述数据查询与转发模块将所述多传感器采集模块采集的温度、湿度以及CO浓度数据传输给所述上位机接收与显示模块，根据该些数据所述上位机与显示模块对所述棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的一实施方式中，所述多传感器采集模块包括温度采集单元、湿度采集单元以及CO浓度采集单元。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的一实施方式中，所述CO浓度采集单元包括CO浓度传感器和传感器调理电路，以将所述CO浓度传感器输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的一实施方式中，所述数据查询与转发模块与上位机接收与显示模块无线连接。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的一实施方式中，所述多传感器采集模块为多个，设置于所述棉垛的不同位置。

本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其包括如下步骤：

S100，采用多传感器采集模块对棉垛的温度、湿度以及CO浓度进行检测；

S200，采用数据查询与转发模块将棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据进行传输；

S300，上位机与显示模块根据采集的棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据对棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法的一实施方式中，所述步骤S100中的采集CO浓度的步骤包括：将CO输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法的一实施方式中，所述步骤S300中还包括如下步骤：采集的棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据中任一项超出各自预定的阈值时即进行报警。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法的一实施方式中，根据一预设采样间隔对棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据进行采集。

上述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法的一实施方式中，多个多传感器阵列模块设置于棉垛的不同位置以对棉垛进行全方位监测。

本发明的有益功效在于，本发明的一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法针对棉花易燃特性、棉垛安全状态难监测、险情难控制、问题难处理的情况，引入低功耗、低成本的气体多传感阵列的棉垛火情监测系统有助于加强工作人员对棉垛堆放的安全状态的掌握。采用实时监测技术可以对棉垛内部环境进行严格的监测，在出现险情苗头的情况下实时传输的环境数据可以为棉厂工作人员釆取有效措施的提供有力依据，并可以争取宝贵的险情处理时间，从而大大降低火灾灾害发生的可能性。

本发明的一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统与方法在籽棉堆放过程中为棉厂工作人员提供棉垛内实时的温度、湿度和CO浓度数据，以及异常情况火情报警，对棉垛安全堆放以及棉垛内部状态监控有极其重要的意义。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的原理图；

图2为本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统的CO浓度采集电路原理框图；

图3为本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统用于棉垛火情实时监测与阴燃火情预警，如图1所示，本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统总体分为三个模块，分别为多传感器采集模块10、数据查询与转发模块20以及上位机接收与显示模块30。

其中，多传感器采集模块10设置于棉垛中，用于检测棉垛的温度、湿度以及CO浓度。数据查询与转发模块20电连接多传感器采集模块10。上位机接收与显示模块30电连接数据查询与转发模块20。

数据查询与转发模块20将多传感器采集模块10采集的温度、湿度以及CO浓度数据传输给上位机接收与显示模块30，根据采集的温度、湿度以及CO浓度数据，上位机与显示模块30对棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

针对籽棉阴燃机理的分析，多传感阵列采集模块10需要采集温度、湿度、CO浓度三个采集量，具体说来，多传感器采集模块10包括温度采集单元、湿度采集单元以及CO浓度采集单元。如图所示，每个采集单元与CAN总线连接，等待数据查询与转发模块20的查询指令，然后将采集的数据发送到CAN总线上。数据查询转发模块20按顺序查询CAN总线上的各个采集单元的数据，将其收取，并且汇总打包，通过RS232接口发送到Zigbee发送端。上位机接收与显示模块30的Zigbee接收端接收到数据查询转发模块20打包转发的数据，通过RS232端口上传至上位机PC，上位机PC运行通过例如LabVIEW工具开发的软件界面，将经过程序处理的数据和分析结果显示出来。

如图3所示，本发明的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法包括如下步骤：

S100，采用多传感器采集模块10对棉垛的温度、湿度以及CO浓度进行检测；

S200，采用数据查询与转发模块20将棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据进行传输；

S300，上位机与显示模块30根据采集的棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据对棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

其中，所述步骤S100中的采集CO浓度的步骤包括：将CO输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号。

具体地，测量CO浓度的步骤采用高精度CO浓度传感器设计了传感器调理电路，将CO输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号，再通过基于PIC设计的AD-CAN模块，将CO浓度数据采用标准CAN信号发送到数据查询与转发模块20。

如图2所示，由于该型传感器输出为100nA级的电流信号，若要其变成可以被AD采集的标准信号继而完成后续工作就必须通过调理电路对弱电流信号进行放大处理和滤波。

本发明选用四通道、微功耗、轨到轨输入和输出放大器，具有极低的失调电压以及低输入电压噪声和电流噪声特性的AD8609芯片作为调理电路的放大芯片。由于该放大芯片失调电压很低，这样当传感器在没有零偏的时候，由功放带来的误差影响就能降到最低。为了使其nA级的电流放大几百uA级的水平，这里使用了两级电流放大，一级电压跟随。电压跟随器的设计可以隔断上部分放大的误差以及干扰，同时增加了下一级放大的负载能力，使其可以放大更多的倍数达到40-200uA的水平。同时放大电阻的可调行可以在微小量程范围内，任意定义需要的量程。最后选取XTR115精密电流输出变送器，使其变成标准工业4-20mA信号，同时该芯片提供了5V的参考电压，可以对AD8609进行供电，整体电路并不需要外接其他供电芯片，减小了不要的损耗，使得整个调理电路不需要单独的供电模块，使其整体功耗低发热小，可以长期不间断工作。

同时为了解决多级放大之后电路反应过于灵敏，量程与零点调整解耦的问题，引入电压反转芯片ME7660C应用其提供的±5V电压，设计了多处补偿电路，使其滤波效果更好，同时将零点标定与量程设定彻底隔离，这样在传感器使用过程中，即使出现零偏，也能通过调理电路修正，同时不会影响量程变化。

所述步骤S100中的采集温、湿度的步骤，选用高精度温湿度免标定数字传感器，通过基于PIC制作的IIC-CAN模块用于获取温湿度信息，采用标准CAN信号数据查询与转发模块20。

所述步骤S200中的查询和转发数据的步骤中，用于查询CAN总线上连接的气体多传感阵列实时发送到CAN总线上的数据，并将其打包，通过RS232接口发送到ZigBee模块上。

具体来说，基于ZigBee无线发射和接收的步骤，将查询和转发到RS232接口的数据通过ZigBee室外无线发送端发送，通过ZigBee室内无线接收端接收数据，并通过RS232接口将数据发送到PC上位机；安装在棉垛外部查询与转发模块20通过CAN总线与电源线驱动气体多传感阵列工作，并且实时依次查询所有接入CAN总线上的传感模块，并将数据打包发送给Zigbee接收接口然后通过Zigbee远程发送到操作间，室内外无线链接，安全，可靠，省事省工，免去长距离传送干扰和大风气候恶劣地区的断线的可能。

所述步骤S300的火情实时监测与阴燃火情预警步骤具体包括：室内上位机接收显示模块30通过接收无线Zigbee的数据，通过RS232接口连接到PC，通过RS232驱动将数据流引入开发的上位机显示界面，将接收的数据流进行滤波之后，直观的显示出来，并且绘制CO浓度曲线，温度曲线以及湿度曲线，直观的看到一个时间段内棉垛内部的情况。同时，针对CO浓度，温度，湿度的异常情况，汇总分析，给出不同梯次的预警，如正常，异常，火情报警三个不同梯次的预警信息。是否发生阴燃，判断是否给予报警。

具体来说，基于气体多传感阵列的预警模式，并不是单一的温度或者烟尘，或者CO气体设定的报警，而是通过温湿度CO浓度，三者，去实时监控棉垛内部的状态，根据三者数据衔接进行信息融合方式的预警，不同梯度的预警，状态异常报警，阴燃可能预警，火情发生预警三种模式。通过大量的阴燃数据实验，以及K均值聚类算法对CO浓度，温湿度数据进行处理和分析后，确定三组阈值，即三阶预警方式。第一阶段，为安全状态，此时阈值设定为：CO浓度≤5ppm、温度≤45℃、相对空气湿度≤65％RH，此阶段棉垛内部三者全部满足为安全状态，无需处理。第二阶段，异常状态，此时阈值设定为：5ppm≤CO浓度≤50ppm，45℃≤温度≤60℃，65％RH≤相对空气湿度≤75％RH，即三者满足任意一个条件以上即为异常状态，此状态通知工人尽快处理，为低危险状态。第三阶段，报警状态，此时阈值设定为：CO浓度≥50ppmCO，温度≥60℃，相对空气湿度≥75％RH，即三者满足任意一个条件以上即为高危状态，此状态通知工人尽快处理，为高危险状态，做好火灾发生准备。通过不同状态采用不同方式的处理，尽可能的为工厂减轻工作负担，同时减少损失，并且保证了预警的可靠性。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了针对三种传感器数据的滤波方法，通过对比均值滤波、中值滤波、以及滑动平均滤波算法，将中值滤波算法用于数据曲线滤波。中值滤波对脉冲噪声有良好的滤除作用，特别是在滤除噪声的同时，能够保护信号的边缘，使之不被模糊。这些优良特性是线性滤波方法所不具有的。此外，中值滤波的算法比较简单，也易于用硬件实现。所以，中值滤波方法一经提出后，便在数字信号处理领得到重要的应用。中值滤波方法：对一个数字信号序列xj(-∞<j<∞)进行滤波处理时，首先要定义一个长度为奇数的L长窗口，L＝2N+1，N为正整数。设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-N)，…，x(i)，…，x(i+N)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。对这L个信号样本值按从小到大的顺序排列后，其中值，在i处的样值，便定义为中值滤波的输出值。在本发明中，窗口值选为9时，滤波效果最好。

另，本发明的传感器的接入均为标准CAN总线连接，可根据棉垛的大小，垛场的环境，随时增减气体多传感阵列模块，可以做到全方位覆盖，模块化安装，方便调试，环境适应能力强。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其特征在于，包括：

多传感器采集模块，设置于棉垛中，用于检测所述棉垛的温度、湿度以及CO浓度；

数据查询与转发模块，电连接所述多传感器采集模块；以及

上位机接收与显示模块，电连接所述数据查询与转发模块；

其中，所述数据查询与转发模块将所述多传感器采集模块采集的温度、湿度以及CO浓度数据传输给所述上位机接收与显示模块，根据该些数据所述上位机与显示模块对所述棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

2.根据权利要求1所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其特征在于，所述多传感器采集模块包括温度采集单元、湿度采集单元以及CO浓度采集单元。

3.根据权利要求2所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其特征在于，所述CO浓度采集单元包括CO浓度传感器和传感器调理电路，以将所述CO浓度传感器输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号。

4.根据权利要求1所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其特征在于，所述数据查询与转发模块与上位机接收与显示模块无线连接。

5.根据权利要求1所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测系统，其特征在于，所述多传感器采集模块为多个，设置于所述棉垛的不同位置。

6.一种基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100，采用多传感器采集模块对棉垛的温度、湿度以及CO浓度进行检测；

S200，采用数据查询与转发模块将棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据进行传输；

S300，上位机与显示模块根据采集的棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据对棉垛进行火情实时监测与阴燃火情预警。

7.根据权利要求6所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其特征在于，所述步骤S100中的采集CO浓度的步骤包括：将CO输出的nA级电流放大调理成4-20mA标准电流信号。

8.根据权利要求6所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其特征在于，所述步骤S300中还包括如下步骤：采集的棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据中任一项超出各自预定的阈值时即进行报警。

9.根据权利要求6所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其特征在于，根据一预设采样间隔对棉垛的温度、湿度以及CO浓度数据进行采集。

10.根据权利要求6所述的基于气体多传感阵列的棉垛火情监测方法，其特征在于，多个多传感器阵列模块设置于棉垛的不同位置以对棉垛进行全方位监测。