CN115657509A - 一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，采用视频服务器、单片机、传感器、网络等组成远程监控及控制系统。视频服务器作为火灾检测的一部分，通过分析采集的图像信息判断火灾的发生，同时负责向远程人员发送报警信息；单片机通过I/O接口连接多个设备，收集传感器信息并做出判断，根据设定的阀值决定启停相应设备，同时也将信息及时上报远程管理人员，也可根据管理人员指令操作。本发明的有益效果是：本发明针对生产场所安全设计，将各个传感器硬件安装在车间内不同位置以及各个角落，实施多点布设，可以全方位的对室内环境中火灾、水灾以及空气质量等多种信息采集检测，设备可由单片机发出控制信号，同时将数据传输至服务器，再发送至远端管理人员手机，管理者可实时查看车间监控摄像头信息，实现远程实时检测和控制。

Description

一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统

技术领域

本发明涉及工业生产监控与控制技术领域，具体为一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统。

背景技术

目前在工业领域生产车间的消防、水灾、温度控制系统大多是独立安装工作。但大型生产车间的纵长超过200米、横宽超100米、高度则在12米以上，对于这种空间环境，若安装自动消防系统，则可能使系统工作不可靠；另外，车间的电气焊以及其它作业还容易引起系统误报；还有，若在这种空间环境安装自动消防系统的费用也是巨大的，企业很难承受。因此大型车间一般都未安装自动消防系统，而是再墙壁上安装消火栓。车间的水灾防治系统则多是通过浮球控制水泵继电器启动抽水；而大型空调几乎都是人工控制。

由于上述原因，在节假日、夜间通常需要人工值守，但由于人受到自身体力等因素影响，值班守护耗时耗精力，且不可能完全达到巡查绝对到位，仍然存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产场所无人值守远程移动监控和控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：包括视频监控报警模块；空气温度、烟雾火灾报警模块；空气湿度、水位探测与设备控制模块；空调控制模块；WIFI通信模块；OLED显示模块；电源模块；所述各模块除了视频监控模块之外，各模块之间以stm32单片机作为控制中心设计辅助电路，采用RS485为线路连接各个传感器与单片机，制作PCB电路板以及封装产品。

视频监控模块则将多个IPC摄像头通过网线连接至视频服务器，视频服务器值守程序对捕捉的信号分析，判断是否发生火灾，并向安全部门发出声光报警、向远程移动端发出报警信息。

一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统包括：摄像头监控捕捉火灾视频信息报警、与stm32传感器数据采集和设备控制两部分。摄像头监控捕捉视频信息，由视频服务器值守程序分析数据是否火灾，对发现的火灾状况及时向安全部门报警，同时向远程人员报警。单片机控制系统针对stm32设计I/O中断程序，当传感器出现异常数据时，stm32发中断处理，编写系统控制程序；针对esp8266WiFi通信模块设计了通信程序、移动端软件。

系统包括硬件电路设计、PCB制作与封装；软件开发、软件调试流程和语言开发；编写视频服务器值守程序，对摄像机信息采集分析，确认火灾警情时及时报警；烟雾、温湿度数据的采集与报警程序；水位探测传感器与空气温湿度探测器数据采集与设备控制程序，WiFi通信程序，系统启动后程序值守运行。

作为本发明的一种优选技术方案，所述stm32单片机软件开发采用C语言，系统选择在Uvision5 MDK上进行C语言程序开发，通过gagent写入esp8266WiFi通信模块，使系统与远端主机通过网络连接。

作为本发明的一种优选技术方案，在云平台中设计建立开发者账户、产品、数值范围和属性，设计用户自主控制模式和系统自动控制模式，同时通过云平台设计软件代码并制作apk文件使移动终端与系统连接。

作为本发明的一种优选技术方案，一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统所述stm32单片机的控制系统开启后能够协同各个传感器工作、进行数据采集；另外，同时利用视频监控捕捉信息，根据采集到和捕捉到的火灾数据进行判断是否执行声光及远程报警、通知人员灭火。传感器通过RS485与stm32单片机I/O引脚连接，对于采集的数据，单片机用OLED显示屏实时显示相应信息；同时根据程序设计发出控制信号；通过WiFi通信模块把数据上传到服务器，使移动端软件和网页上都能实时的查看数据；移动终端通过WIFI网络与控制系统进行远程交互时，stm32单片机采集到超出设定阈值的信息时发出外部中断，以便单片机进行判断并输出控制信号；控制系统访问WiFi通信模块来接收移动终端发送的指令并进行下一次操作；当系统处于自动模式时，单片机会自动发出控制指令以决定水泵、空调等启停。

作为本发明的一种优选技术方案，stm32单片机的控制系统协同的传感器包括光栅传感器、烟雾传感器、温度传感器；当光栅传感器捕捉到火焰光谱信号、烟雾传感器检测到空气中的二氧化锡浓度过高、温度传感器捕捉到短时间内温度急剧上升，控制系统均会判定发现火灾，提供报警并由人工启用消火栓。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1，本发明采用单片机、传感器、网络等组成远程监控及控制系统，单片机通过多个I/O接口，通过电平转换电路连接各个传感器和继电器的启动控制信号线，通过RS485随时收集传感器信息并做出判断，根据设定的阈值决定启停相应设备，同时将信息及时上报远程管理人员，也可根据管理人员指令操作。

2，本发明针对生产场所安全设计，将各个传感器硬件安装在车间内不同位置以及各个角落，实施多点布设，可以全方位监控室内环境中火灾信息；可以对水灾以及空气质量等多种信息采集检测，由单片机发出控制信号，同时将数据传输至远端管理人员手机；车间监控摄像头捕捉信息并分析是否火灾，并将信息实时发送至管理者，可实现远程实时检测和控制(自动、人工两种模式混合使用)。

3，本发明可以全面的监控夜间、节假日等生产车间无人值守期间的安全隐患，减轻人员工作负担和压力，是车间安全自动化控制的重要组成部分，创造的经济社会效益以保证安全和减少人力，最终减少经济损失的概率成正比。

附图说明

图1为系统整体结构与功能图；

图2为单片机、传感器控制结构图；

图3为主程序流程图；

图4为本发明STM32F103系统图；

图5为电路模式选择图；

图6为时钟电路设计图；

图7为复位电路设计图；

图8为电源电路设计图；

图9为温湿度检测模块电路设计图；

图10为烟雾传感器模块MQ-2的电路原理；

图11为ESP826WiFi和STM32通信模块之间的接口图；

图12为74LVB4245A接线图；

图13为JQC-3FF继电器控制图；

图14为判断是否起火流程流程图；

图15为延时开关示意图；

图16为云平台连接流程图；

图17为ESP8266控制电路图；

具体实施方式

实施例1

本发明公开了一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，包括空气烟雾、温度火警模块、空气温度的空调启停模块、空气湿度与水位探测启动水泵模块、WIFI通信模块、OLED显示模块、电源模块；所述各模块之间以STM32单片机作为控制中心；在各模块之间设计辅助电路，制作PCB电路板以及封装产品。

由于大型生产车间的特点，不适合安装自动消防系统。采用视频监控方式作为火灾预警的重要补充，通过视频服务器值守随时分析监控图像的视频信息，发现火灾即使报警，通知安全人员即时使用消火栓灭火。

如图4所示，stm32单片机系统电路包括了四大部分组成，分别为启动选择电路、复位电路、时钟电路、接口电路。系统的电路设计的主要模块和各自的特性分别如下：

启动选择电路有三个模式可选择，每个模式各有特点，实现方式主要是通过选择不同引脚，其启动模式如图5所示。

时钟电路采用8M的晶体振荡器，其电路设计如图6所示。

复位电路设计如如图7所示。

系统选择USB转换TTL模块，模块作用不仅能够给系统供电，还能够为单片机下载程序充当接口工具。该模块作为电源模块时就把该模块的5V引脚和GND引脚分别接到该系统模块的相对应的VCC-5V引脚和GND引脚；其原理图如图8所示。

选用DHT11温湿度传感器来进行环境的温湿浓度的数据收集，将收集到的数据用来分析和对比，以决定接下来的操控；其电路设计图如图9所示。

烟雾浓度检测选择MQ-2烟雾浓度传感器，检测的烟雾浓度主要是检测空气中的二氧化锡浓度。二氧化锡具有低导电性，因此当室内的烟雾浓度增大时，烟雾具有的导电性就会增强，传感器搜集感其导电性，通过电路转换信号进而控制报警信息发送，烟雾浓度传感器可以感应多种气体。

使用MQ-2的比较器电路监控，4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平(0V)，此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平(Vcc)，LED熄灭。调节Rp，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。

比较器电路处理的检测信号只有高和低两种状态；当浓度低于阈值时，信号为高电平；浓度高于阈值时，信号为低电平。所以单片机只需要将引脚配置为输入模式，并监控该信号的高低电平。烟雾传感器模块MQ-2的电路原理如图10所示。

采用TC401感应式数字液位传感器检测车间进水状况，选择的传感器分辨率为1cm，因其输出信号为RS485，所以直接采用法兰级联方式连接，垂直安装或倾斜安装。电路只需提供接线柱。

系统须要添加WiFi通信模块，属于物联网的传输层。其功能主要是将串行端口或TTL级别设备转化为适应WiFi无线通信标准的嵌入式模块，并内置了无线网络协议和TCP/IP协议栈。嵌入WiFi通信模块的传统硬件装置，能够直接通过WiFi或无线网络链接到网络上。

我们选用esp8266模块为控制系统的WiFi传输模块。esp8266模块是一个超低功耗WiFi的透明传输模组，能够使物理设备直接链接至WiFi或无线网络，进行Internet或LAN通信。模块正常工作温度为20℃-80℃，工作电压为3-3.6V。

通过在手机云硬件开发标准下建立完整基本规范，结合国际标准WiFi通信协议，通过和云平台实现与控制系统产品绑定所产生的唯一标识代码，实现远程管理的目的。esp826WiFi和stm32通信模块之间的接口图如图11所示。

系统需要电平转换模块。在电路设计时，处理器和传感器的工作电压往往不会一样，可能是12V，5V，3.3V等等，一般不能将MCU的I/O口直接接上5V，因为存在烧掉MCU的隐患。常见MCU的VCC是3.3V，但是外围电路需要5V，有时则需反过来，故连接通讯时应进行电平转换处理。这里采用了电平转换芯片在3.3V和5V间转换。

74LVC4245A是一款实现转换的芯片，是双电源供电双向收发器，A和B端口不需上拉，其它引脚上拉到VCC或GND以防止悬空，它的信号分A、B两组，一组输入、一组输出，A组电压支持1.5-5.5V，B组电压支持1.5-3.6V，通过DIR管脚控制信号方向。DIR为高电平时A为输入端，DIR为低电平时B为输入端。OE为低电平，收发器工作，高电平截止。其原理图如图12所示。

光耦继电器属于分类中的固态继电器，工作原理和普通的利用电流通过线圈，从而获得磁性吸合衔铁进行控制通断的方式不一样，光耦继电器是利用发光二极管射出的光线到光电元件，控制效应管的通断，相对于于普通的电磁继电器，它的优点是不会产生由于触点磨损造成的损害，切换声音小，没有震动，理论上来说寿命是无限的。并且光耦继电器的响应快，触发时间短，对比普通的继电器优势十分大，在市面上比较普遍的一种控制方式。我们在这里的智能开关选用的就是单路光耦继电器作为开关元件，可以将继电器通过联网模块进行控制，可以实现远程开关的功能，在输出端接上想要控制的对象，就可以实现控制元件的目的。简便，可靠性高，成本低，可以做很多简单的联网控制开关。

单路光耦继电器的常开接口最大的负载是，250V/10A的交流电，30V/10A的直流电，模块的工作电压为5V，可以通过跳线的方式设置高电平或者低电平触发方式，输入端有三个接口，分别是DC+，DC-，IN。DC两个端口是连接供电电源，IN则是触发信号，可以选择高电平或者低电平触发，输出端口也是三个端，分别为，NO，COM，NC。NO端口是继电器的常开接口，在继电器的衔铁吸合之前是悬空的，吸合后和COM端短接，COM端口是继电器的公共接口，NC为继电器的常闭接口，衔铁吸合前和COM短接，吸合后悬空。我们在使用的时候，将端口进行连接，给IN口合适的触发信号就可以进行线路导通与中断的控制。其原理图如图13所示。

其主要软件功能模块程序设计如下：

系统启动包括视频服务器启动和单片机系统启动。视频服务器启动值守，摄像头监控捕捉视频信息，值守程序分析数据是否火灾，对发现的火灾状况及时向安全部门报警，同时向远程人员报警。

服务器值守程序设计算法为主要对图像处理，把火焰目标从图像中分割出来。通过提取前景，分割目标，图像形态滤波去噪算法等步骤，把图像中的火焰目标分割出来，再对提取到目标特征进行判断是否具有火灾特征。

火灾发生时，其多帧图像的颜色值和亮度、面积、边缘、形体、闪动规律、分层都会发生较大变化，根据这些值的变化超出阈值识别火灾。程序实现以下操作：彩色图像灰度化，用OpenCv打开摄像头，从摄像头中获取每一帧图像。由于摄像头采集到RGB图像占用内存太大，需要将其转换为灰度图像；用帧减提取前景、减除背景：即用前一帧减去后一帧或几帧，找到足够大的差别提取为前景，捕捉运动目标边缘；二值阈值化，对得到的目标前景像素直接剔除那些低于或高于一定值的像素。

分割出图像的所有像素只有0或255，再扫描图像中的白点数来得到目标范围值。取得目标范围后可以多次使用，不用每次都扫描整幅图像；上述分割出的图像周围有许多毛刺，再对二值阈值化图像进行去噪运算，分割出精确的火焰目标。

通过CV图像处理函数和计算机视觉算法，运用图像形态学函数cvErode()和cvDilate()实现膨胀与腐蚀的基本转换，CV_MOP_OPEN开运算先将其腐蚀、再膨胀/消除高于其临近点的孤立点，去除小的明亮区域、剩余的明亮区域被隔绝；CV_MOP_CLOSE闭运算：先膨胀、再腐蚀可以去除噪声影响区域，消除低于其临近点的孤立点、使亮的区域连在一起。图像处理中要对图像像素做出最后决策，或直接剔除一些低于或高于一定值的像素。函数cvThreshold()基本思想是，给定一个数组和一个阈值，然后根据数组中的每个元素是低于还是高于阈值而进行一些处理，对灰度图像进行阈值操作得到二值图像，或去掉噪声，过滤很小或很大象素值的图像点。

火焰目标判定包括计算颜色值。火焰的特征很明显，其颜色、温度、形状以及跳动形式都可作为判断依据，RGB图像中只要满足R≥G且G>B的颜色均可看作是火焰。为了更准确的识别，需要把RGB图像转换为HSV颜色模式，再计算出每一帧图像的亮度和颜色值，筛选出火焰物体。夜间火焰的亮度值平均大于150，颜色值则平均小于80，这两个值是经试验得出的，可以作为判断的阈值。

计算面积，火灾是不断发展的一个过程，火焰目标区域面积不断变化，在连续几帧图像中分割出火焰目标区域的面积呈增长趋势。

对颜色亮度在范围内的图像计算目标区域面积并连续往后取n帧，计算目标区域面积变化，若变化不大就放弃这n+1帧、继续监测，否则，连续n+1帧图像的目标区域像素会有一定增长。

尖角是火焰的特征之一，应当识别尖角目标的高宽度、面积等。火焰尖角可能是多个点，都应提取其特征点值。火灾火焰尖角数的变化幅度较大，而其它干扰物的尖角数则变化较小。其原理图如图14所示。

根据以上条件启动报警程序。

单片机控制系统启动后处于值守状态，设计stm32的I/O中断程序，当传感器出现异常数据时，stm32发外部中断，由中断处理函数根据实际启动空调、抽水泵等设备，同时启动声光报警程序；对于发生火灾的烟雾和温度传感器数据，则启动声光报警程序。编写系统控制程序；针对esp8266WiFi通信模块设计了通信程序、移动端软件。

独立按键控制程序设计，该系统会在显示屏下面设置三个独立的按键来进行人机交互的效果，因此当使用这个按键的时候也要考虑按键引起的震动是否会对各个设备模块带来影响，当按下按键的时候会改变电平的高低，高低电平的变化来实现对系统的控制，因此当系统整体发生震动的时候也有可能导致高低电平的变化因此会发生误操作的执行，对于这类问题就必须在按键程序里再添加一个延迟程序是系统能够正确识别按键操作。其原理图如图15所示。

WiFi串行通信控制程序设计，单片机要想和esp8266进行通信传递，就必须通过串口与WiFi进行中断，中断的意义就是处理器停止现行的任务转至新的任务直至完成这个任务后再返回原来的继续执行的过程。当中断发生后就不能再次产生中断，以免信息的重复导致差错，当WiFi端口收到数据时首先检测中断是否产生，通过分析在进行操作。

系统通电开启后，各个传感器就进行采集数据，向stm32核心系统发送数据，然后进行判断发送来的数据是否超过设置好的数值范围，并选择是否进行下一程序执行。

ESP8266WiFi通信模块固体软件设计，系统使用WiFi通信模块与云平台进行互通，所以需要把所使用的云烧录成与WiFi通信模块对应的gagent固件，此固件可以运行所有的程序，实现不同的设备与程序之间的数据传输，还能够进行程序更新、网络访问等功能。

借助云平台设计与实现，该系统如果需要自己构建一个服务器可能会花费大量的人力物力完成，不能够体现该系统的低成本的优势，所以最终选择使用第三方的云平台服务器，利用WiFi通信网络与第三方的服务器连接，云平台连接过程如图16所示。

在连接云平台后首先需要在系统中创建所需的数据节点，然后使该系统的各种设备能够识别这些所收集到的数据，每个数据节点拥有五个属性分别为名称、数据类型、读写类型、标记、注释。

①名称：就是我们想要这个数据点显示哪一类型的数据。

②数据类型：该系统一般需要的就是数值类型，就比如温湿度的数值就需要设置成0-50或者是0-100等这种形式。

③读写类型：读写类型就是可以读取数值，或者是可以改写数值。

④标记：标识数据和传输的变量的称号。

⑤注释：注释就是对特殊数据点的解释。

移动终端软件借助云平台进行APP源代码的开发，对APP的界面优化，使之能够与设备相应的接口连接控制，最终使手机能够及时响应系统的反馈。

ESP8266是一款超低功耗的wifi芯片模组，可以进行联网控制、信息处理等，接入云端服务器，实现全球网络数据控制。芯片有三种工作模式，分别是AP，station，和混合模式。芯片可以用简单的AT指令进行控制。在芯片使用时需要搭载一个简单的外围电路才能进行正常工作。

芯片的使用过程中对电压要求很高，标准3.3V电压，不能有一点的纹波影响，否则芯片就会停止工作。使用芯片时需要进行烧写AT固件时，GPIO6-GPIO11是模块的闪存区域，一般不使用。将使能端拉高，RST拉高，GPIO15和GPIO0拉低，GPIO2拉高进入下载模式，进行程序烧写操作，烧写结束后，将GPIO0拉高进入运行模式，通过串口检测模块是否能进行正常工作，正常通信，发送AT指令进行控制，查看模块运行状态。连接到服务器，通过串口接收传感器发送的数据信息后，将信息上传到服务器进行联网控制。其原理图如图17所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：包括视频监控模块；空气温度、烟雾火灾报警模块；空气湿度、水位探测模块；WIFI通信模块；OLED显示模块；电源模块；声光报警模块；所述各模块除了视频监控模块之外，各模块之间以stm32单片机作为控制中心设计辅助电路，采用RS485为线路连接各个传感器与单片机，制作PCB电路板以及封装产品。

视频监控模块则将多个IPC摄像头通过网线连接至视频服务器，视频服务器值守程序对捕捉的信号分析，判断是否发生火灾，并发出声光报警并向远程移动端发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：所述系统包括：摄像头监控捕捉火灾视频信息报警部分；stm32传感器数据采集和设备控制部分。摄像头监控捕捉火灾视频信息，由视频服务器值守程序分析，对发现的火灾状况及时向安全部门报警，同时向远程人员报警。单片机控制系统针对stm32设计I/O中断程序、编写系统控制程序；同时针对esp8266WiFi通信模块设计通信程序、移动端软件。

3.根据权利要求2所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，统包括硬件电路设计与PCB制作与封装；软件开发、软件调试流程和语言开发；编写视频服务器值守程序；烟雾、温湿度数据的采集程序；水位探测传感器与空气温湿度探测器数据采集，WiFi通信程序以及报警程序，系统启动后程序循环运行。

4.根据权利要求2所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：所述stm32单片机软件开发工具选用Uvision5MDK上，采用C语言编写程序，通过gagent写入esp8266WiFi通信模块，使系统通过网络与远端主机及移动端连接。

5.根据权利要求2所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：软件使用云平台设计，并建立开发人员账户、产品、数值范围和属性，设计用户自主控制模式和系统自动控制模式，同时通过云平台设计软件代码并制作apk文件使移动终端与系统连接。

6.根据根据权利要求2所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：所述stm32单片机的控制系统开启后能够协同各个传感器工作、进行数据采集；另外，同时利用视频监控捕捉信息，根据采集到和捕捉到的火灾数据进行判断是否执行声光及远程报警、通知人员启停消防设备。

7.根据权利要求2所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，传感器通过RS485与stm32单片机引脚连接，对于采集的数据，单片机做出判断决定OLED显示屏实时显示相应信息，再通过WiFi通信模块把数据上传到服务器，使移动端软件和网页上都能实时的查看数据；移动终端通过WIFI网络与控制系统进行远程交互时，stm32单片机对采集到超出设定阈值的信息向stm32发出外部中断，以便单片机进行判断并发出控制信号；控制系统访问WiFi通信模块来接收移动终端发送的指令并进行下一次操作；当系统处于自动模式时，单片机会自动发出控制指令以决定水泵、空调等启停。

8.根据根据权利要求6所述的一种生产场所无人值守远程移动监控控制系统，其特征在于：所述stm32单片机的控制系统协同的传感器包括光栅传感器、烟雾传感器、温度传感器；当光栅传感器捕捉到火焰光谱信号、烟雾传感器检测到空气中的二氧化锡浓度过高、温度传感器捕捉到短时间内温度急剧上升，控制系统均会判定发现火灾，提供报警并由人工启用消火栓。

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