基于多传感器集成的作业环境实时监测报警系统_周宇浩.pdf

*基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 1 8 Y F C 0 7 0 5 3 0 60 1).基于多传感器集成的作业环境实时监测报警系统*周宇浩1,孟晓静1,2,刘秦昱1(1.西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 5;2.西部绿色建筑国家重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 5 5)摘 要:针对常见的工作场所有害因素,集成了多种传感器,设计了一套作业环境监测系统。采集的作业环境参数包括空气温度、风速、相对湿度等基本环境参数,以及工作场所有害因素高温、粉尘、噪声等。该系统采用工业级传感器采集信息,传感器模组通过R S-4 8 5工业通信总线交互至数据处理单元。数据处理单元使用MC 9 S 1 2 X S 1 2 8芯片解码数字信号保存至外部储存器,同时驱动D G U S工业屏显示监测数据及报警信息。该系统结构简单、易于操作,可实时对工作场所有害因素进行监测及报警。关键词:D G U S;工作场所有害因素;实时监测;R S-4 8 5总线;传感器0 引言高温、粉尘及噪声是钢铁、冶金、采矿、化工等行业常见的工作场所有害因素1。由于生产工艺的需求以及生产技术水平的限制,导致部分工作岗位的工作环境恶劣23。高温、高湿、粉尘及强噪声的环境给作业人员带来的生理和心理影响,使作业人员疲劳加重、动作差错率明显增加,甚至造成作业人员工作失误从而引发事故45。因此,有必要对常见的工作场所有害因素进行监测6。随着智能化、信息化的发展,学者们对环境参数的监测做了大量的研究。韩慧7和杨明等8采用R S-4 8 5总线技术以模块化对温室大棚的实时环境参数进行监测,实现自动和远程控制以及短信报警等功能。林雪峰、王强等91 0基于R S-4 8 5通讯可以长距离、高可靠性、高效率的数据传输通讯方式组成煤矿安全监控系统,并提出了硬件和软件的解决方法。张敏等1 1设计了一种可以采集5种环境变量的多功能传感器,并通过Z i g B e e和R S-4 8 5总线实现传感器和监控中心之间的数据传输和通信,从而对多环境参数同时进行监测、传输和储存。彭建盛等1 2以A D u C 8 2 4单片机为核心芯片,对环境中的多参数采用多通道实时采集数据,解决了环境参数复杂、数字化难的问题,实现了对环境参数全面高效的监测。卢超等1 3设计了一套基于R S-4 8 5高精度的数据采集系统,以一主多从的方式将不同地点的模拟信号经过采集转换成数字信号,实现了自动控制多节点采集,从而提高数据传输速率、扩大系统监测范围。目前对于环境参数实时监测方面研究较多,但是没有考虑工作场所有害因素的监测。因此,本文设计了一套能够实时采集并显示1 1种作业环境参数的监测系统,将采集的环境参数实时储存,并基于工作场所有害因素职业接触限值,设置报警阈值,为工作场所有害因素实时监测及评价提供指导。1 系统组成该监测报警系统可独立应用于矿井、工业厂房等复杂的作业环境,系统采用物联网常见的三层架构,其三层架构包括:环境感知层、数据处理储存单元、客户端应用层。感知层完成对作业环境参数的监测,数据处理储存单元实现监测数据的储存及传输,应用层用于对环境参数显示及报警。系统感知层借助R S-4 8 5总线通信技术采用M o d b u s协议信号传输距离远、传输速率快、抗干扰性强等方面的优势,搭载多路传感器采集各类数据源信息1 4,全面客观地反映作业人员的工作环境参数;系统数据处理储存单元采用飞思卡尔嵌入式系统,以单片机为核心控制单元,将感知层所集成多路传感器获得的数据进行处理、分析,将数据信号进行I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.006解码后保存至外部存储器;系统应用层采用可二次开发的D G U S多媒体屏显示环境参数,并开发D G U S屏人机界面使系统具有时间设定、环境参数阈值设定及阈值报警等功能。2 系统硬件设计2.1 感知层硬件设计在复杂环境监测系统中,监测系统的感知层为系统基础。感知层的传感器能够合理划分结构以及数据传输,对实现环境监测有着重要的作用。本系统感知层节点包括传感器组成单元、数据集成通信单元、通信调试接口、供电单元4个部分。感知层设计框架如图1所示。图1 感知层设计框架图2 传感器模组实物感知层的传感器模组各部分分工明确,根据R S-4 8 5总线方式与控制箱进行通信,传感器模组实物如图2所示。模组中,传感器组成单元可同时监测1 1种数据参数,包含环境噪声、风速、空气温度、露点温度、湿球温度、相对湿度、黑球温度、P M2.5、P M1 0、呼吸性粉尘、全尘,选配的传感器类型包括大气干湿球温度传感器、黑球温度传感器、噪声传感器、风速风向传感器、粉尘检测仪。空气温度、露点温度、湿球温度、相对湿度采用一体型传感器;黑球温度采用温度感测元件;环境噪声采用高灵敏度的电容式麦克风传感器;风速采用无惯性测量超声波传感器;P M2.5、P M1 0、呼吸性粉尘、总尘采用激光粉尘多粒径传感器。将5种传感器集成并依据R S-4 8 5数字信号进行输出。环境参数的测量范围和测量精度见表1。表1 环境参数量程精度环境参数量程精度湿球温度/-4 0+6 0 0.3空气温度/-5 0+8 0 0.1露点温度/-5 0+8 0 0.1相对湿度/%0 1 0 0 0.2黑球温度/-4 0+1 2 0 0.2噪声/d B3 0 1 3 0 0.5风速/(m/s)0 4 0 0.5+2P M1 0/(m g/m3)0.0 0 1 1 0 00.0 0 1总尘/(m g/m3)0.0 0 1 1 0 00.0 0 1P M2.5(m g/m3)0.0 0 1 1 00.0 0 1呼吸性粉尘/(m g/m3)0.0 0 1 1 00.0 0 12.2 电源电路设计几种传感器和D G U S多媒体屏幕的供电方式均为直流供电,各传感器正常工作电压见表2。表2 传感器工作电压环境参数工作电压/V大气干湿球温度传感器9 1 2黑球温度传感器1 2 2 4超声波风速传感器1 0 3 0噪声传感器1 0 3 0粉尘检测仪1 2 供电单元需要兼顾各类传感器的供电需求,同时可适用于矿井、工业厂房等复杂环境。选择L P V-6 0-1 2电源适配器将2 2 0V的交流供电转化为1 2V直流供电,L P V-6 0-1 2为I P 6 7防水等级,可满足向系统各个层面提供稳定电流的要求,电流电压转化如图3所示。图3 交直流电转化36周宇浩,等:基于多传感器集成的作业环境实时监测报警系统2.3 数据处理单元设计系统 核 心 单 元 以1 6位C P U 1 2 X内 核MC 9 S 1 2 X S 1 2 8作为主芯片,系统感知层已经采集湿球温度及黑球温度,将湿球黑球温度(WB G T)指数室内作业计算公式通过MC 9 S 1 2 X S 1 2 8芯片计算得出室内WB G T指数,并将室内WB G T指数与其他测量数据同时传输至显示屏。室内作业时,WB G T指数计算公式如下:WB G T=0.7tn w+0.4tg式中,tn w为自然湿球温度,tg为自然黑球温度。数据处理单元电路如图4所示,单片机引脚输出的是T T L电平信号。因此,需要将T T L信号转化为4 8 5电平与传感器模组采用的R S-4 8 5通信总线进行数据交互,负责处理各传感器的数字信号,将数据信号进行解码后将数据保存至外部存储器,然后将数据进行二次编码后,驱动D G U S工业屏显示各传感器具体数值及报警信息。图4 数据处理单元电路2.4 数据储存数据默认存储至U盘内,U盘根目录下有两个目录(C A及C B)及一个配置文件“U C O N F I G.T X T”,配置文件由系统自动生成。数据文件以文本文件方式存储于C A目录中,按文件名顺序存储,可通过E X C E L或第三方应用打开对应的文件查看数据。该设备可以分钟为单位基础储存采集的环境参数,储存时间间隔可根据实际需求调节,时间总长大于一年。配置数据储存U C O N F I G.T X T代码如下:b a u d_u 1=1 1 5 2 0 0b a u d_u 2=1 1 5 2 0 0m o d e=1p e r i o d=0t i m e f o r m a t=0f i l e n a m e f o r m a t=1c o n v e r t=03 系统应用层软件设计3.1 D G U S工业屏D G U S工业屏是一款基于K 6 0 0+内核具有图形设计界面的智慧人机屏幕,主要应用于工业图形显示1 5,可在-2 0+7 0 温度范围内工作,因此,适用于大多数监测环境。D G U S工业屏主要由K 6 0 0+内核(D G U S运行)、T F T液晶屏、触摸屏、用户接口(串口、供电)组成1 6,硬件结构如图5所示。T F T液晶屏的功能是显示设计的人机界面,由电源系统通过用户接口对该屏幕进行供电。图5 D G U S硬件结构D G U S工业屏采用异步、全双工串口(UA R T),串口模式为8 N 1,即每个串口所有的指令和数据都是1 6(H E X)进制,传送字符1 0位,数据格式由1个起始位、8个数据位、1个停止位组成1 7,并通过D G U S屏通信协议进行通信。D G U S多媒体屏幕把用户图形界面的每一个页面分解成多个控件。利用D G U SV 5.0 4软件在相应的页面添加功能控件即可实现相应功能,其具有5 6k的R AM变量空间,8通道曲线趋势图储存器以及内部2 5 6字节的配置寄存器控件,支持串口指令的读写。同时具有S D接口,使用S D卡来实现D G U S多媒体屏幕硬件配置1 8。3.2 界面设计及配置基于D G U S提供的电脑端组态开发软件迪文D G U SV 5.0 4,在界面位置设置数据变量控件,通过D G U SV 5.0 4软件对界面图片进行设置,设置好显示格式,包括字体大小、数据类别、参数单位、小数点长度、显示时间,以设计出直观可视的人机操作界面。然后,将配置的显示控件文件(1 4.B I N)下载到D G U S屏幕。最后将感知层所传输的环境噪声、风速、空气温度、露点温度、湿球温度、大气湿度、黑球温度、P M2.5、P M1 0、呼吸性粉尘、全尘以及控制芯片所计算的WB G T指数值,通过串口刷新到对应的数46采矿技术2 0 2 3,2 3(2)据源地址,屏幕即可按照所设计的格式显示出来。系统根据显示控件文件(1 4.B I N)配置后,再进行触控配置和变量配置设置需要触控的图片,将所定义的触控控件文件(1 3.B I N)通过D G U SV 5.0 4开发软件下载到D G U S屏幕。系统主要用到的配置有感知层数据显示、感知层数据变量显示、系统时间设置和报警阈值设置。主界面配置如图6所示。图6 主界面配置3.3 报警界面设计及配置通过D G U SV 5.0 4软件配置界面图片及触碰功能,实现报警界面设计。在设置报警参数时,点击实时数据显示界面右上角的图标,打开下拉菜单,点击“报警参数”进入报警参数设置界面。可以采用手动点击各个报警参数左边的图标,减小报警值,也可以点击报警参数右侧的图标增大报警值,当点击报警参数文本框时,显示数字键盘,也可以直接输入报警值。报警参数设置界面如图7所示。图7 报警参数设置根据 工作场所有害因素职业接触限值第2部分:物理因素 高温作业是指工作地点平均WB G T指数大于等于2 5 的作业1 9,因此,设置WB G T指数预警值为2 5;煤矿井下采掘工作场所气温不高于2 6,设置干球温度预警值为2 6;稳态噪声限值为8 5d B(A),设置噪声预警值为8 5d B。根据 工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素2 0针