李光耀 陳廷官 王由之 張茜 張宏文 王磊

摘 ?要： 針對采棉機(jī)作業(yè)過程中難以實(shí)現(xiàn)火情實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)報(bào)警的問題，提出一種基于CAN總線技術(shù)的采棉機(jī)火情監(jiān)測方法，并對火情監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用多信息快速傳輸、多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測等技術(shù)，設(shè)計(jì)火情監(jiān)測系統(tǒng)主程序、火情信息采集和滅火處理子程序，基于LabVIEW開發(fā)人機(jī)交互界面。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息迅速采集、多通道節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)報(bào)警的功能。

關(guān)鍵詞： 采棉機(jī); 火情信息采集; 火情監(jiān)測; 精準(zhǔn)報(bào)警; 滅火系統(tǒng); 實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號： TN931+.3?34; S224.1 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）10?0067?04

Design and research of fire monitoring and extinguishing system

based on CAN bus for cotton picking machine

LI Guangyao， CHEN Tingguan， WANG Youzhi， ZHANG Qian， ZHANG Hongwen， WANG Lei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi 832003， China）

Abstract： In allusion to the problem that it is difficult for the cotton picking machine to realize real?time fire monitoring and accurate alarm in its operation process， a fire monitoring method based on the CAN bus technology is proposed for the cotton picking machine， and the hardware and software structures of the fire monitoring system are designed. The main program of the fire monitoring system and the subprograms for fire information acquisition and fire extinguishing processing are designed by using the technologies of multi?information fast transmission and multi?node real?time monitoring. The man?machine interactive interface is developed based on the LabVIEW. The test results show that the system can realize the functions of rapid information acquisition， real?time monitoring of multi?channel nodes and accurate alarm.

Keywords： cotton picking machine; fire information acquisition; fire monitoring; accurate alarm; fire distinguishing system; real?time monitoring

我國是棉花生產(chǎn)大國，棉花是國民經(jīng)濟(jì)重要組成部分和國家戰(zhàn)略物資。棉花機(jī)械化采收是棉花生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)械化采收對于降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率和增加農(nóng)民收入具有重要意義。截止到2017年，機(jī)械化采收在我國棉花生產(chǎn)過程中已達(dá)73%，并且采棉機(jī)的使用率逐年增加[1]。當(dāng)今國內(nèi)市場主要采用水平摘錠式采棉機(jī)，摘錠會與棉花秸稈或雜質(zhì)產(chǎn)生摩擦，通過風(fēng)送系統(tǒng)吹進(jìn)集棉箱，易產(chǎn)生火花，火情不易被發(fā)現(xiàn)，容易導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅作業(yè)人員的安全。目前，國內(nèi)外關(guān)于聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測、礦井瓦斯監(jiān)測、播種機(jī)監(jiān)測等[2?4]的研究較多，而關(guān)于采棉機(jī)火情監(jiān)測及滅火系統(tǒng)的研究較少。因此，本文針對采棉機(jī)作業(yè)過程中出現(xiàn)的火情問題，采用基于CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)出一種采棉機(jī)火情監(jiān)測系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測火情并及時(shí)報(bào)警、停車滅火，保證采棉機(jī)安全作業(yè)。并對采棉機(jī)火情監(jiān)測滅火系統(tǒng)進(jìn)行了硬件、軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本文以4MZ?6型六行打包式棉花收獲機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)采棉機(jī)火情監(jiān)測及滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機(jī)和各監(jiān)測子系統(tǒng)組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理為，傳感器將采集到的火情數(shù)據(jù)經(jīng)火情監(jiān)測子系統(tǒng)通過CAN總線傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判斷，解析后結(jié)果大于系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警閾值，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并啟動滅火處理子程序。

圖1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 ?采棉機(jī)火情監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?火情監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采棉機(jī)火情監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由總線通信電路和相關(guān)輔助電路構(gòu)成。監(jiān)測探頭由溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外火焰?zhèn)鞲衅骱鸵谎趸紓鞲衅鳂?gòu)成。硬件設(shè)計(jì)選用P80C592微處理器并通過內(nèi)部驅(qū)動器PCA82C250完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。微處理器P80C592和驅(qū)動器PCA82C250連接光電耦合器6N137，可提高系統(tǒng)抗干擾能力。基于CAN總線的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ?基于CAN總線的火情系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ?傳感器電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ?煙霧傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路

由于機(jī)采棉含有部分雜質(zhì)，當(dāng)采棉機(jī)發(fā)生火情時(shí)會產(chǎn)生大量煙霧，所以設(shè)計(jì)采用MQ?2型煙霧傳感器，該傳感器為表面離子式N型二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。二氧化錫在較高溫度（200～300 ℃）時(shí)會吸附空氣中的氧，使表面構(gòu)成氧的負(fù)離子層，材料中的電子密度減少，導(dǎo)致電阻增加。煙霧濃度越高，輸出電阻越低，導(dǎo)電率就越大，則輸出的模擬信號就越大。利用該材料的這種特點(diǎn)能夠獲得煙霧信息[5]。電路使用的ADC0804是一款8位、單通道、低價(jià)格A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量為：

[D=V256VREF] ? ?（1）

式中：D為數(shù)字輸出量;V為模擬輸入電壓;[VREF]為參考電壓。

2.2.2 ?溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路

棉花疏松多孔，組織形態(tài)與空氣接觸面積大，燃點(diǎn)和含水率都較低，分別為150 ℃，12%。由于采棉機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生熱量，棉花溫度升高，一旦棉纖維與明火接觸，極易發(fā)生燃燒。溫度傳感器采用的型號為DS18B20型，該溫度傳感器通過編程實(shí)現(xiàn)9～12位數(shù)字值讀數(shù)方式，能夠直接讀出被測溫度，完成這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換的時(shí)間僅需要93.75 ms和750 ms。

2.2.3 ?火焰?zhèn)鞲衅麟娐?/p>

棉花的主要成分是纖維素，棉花成熟期纖維素含量高達(dá)95%以上。棉花燃燒時(shí)火焰含有紅外線和紫外線等肉眼無法識別的特征，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外火焰?zhèn)鞲衅?。?dāng)紅外光波長在880 nm附近時(shí)，該傳感器的靈敏度最高。紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗⒓t外光的強(qiáng)弱信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255 V范圍內(nèi)的數(shù)值。紅外光的強(qiáng)弱和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)值成反比[6]。

2.3 ?滅火執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

在采棉機(jī)集棉箱頂部安裝滅火噴淋裝置，能對初期火情進(jìn)行有效控制和撲滅，實(shí)現(xiàn)集棉箱區(qū)域化噴淋滅火，每塊區(qū)域噴淋裝置由電磁閥統(tǒng)一控制通斷[7]。當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測到火情并發(fā)出滅火指令，系統(tǒng)啟動電磁閥控制噴淋滅火?？刂茀^(qū)域安裝的電磁閥采用的是美國雨鳥電磁閥，電壓為30 V直流電。其具備手動控制功能，當(dāng)自動控制暫時(shí)失效時(shí)能夠采用手動控制進(jìn)行滅火。

2.4 ?工控機(jī)與CAN總線通信接口適配卡設(shè)計(jì)

工控機(jī)與各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的通信由CAN總線通信接口適配卡負(fù)責(zé)，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再將數(shù)據(jù)和指令通過CAN總線輸送到各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，適配卡由AT89C52，SJA1000，AT82C520等組成。

3 ?采棉機(jī)火情監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及滅火處理子程序

采棉機(jī)火情監(jiān)測系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)主程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)行放大濾波、解析處理，其次采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸給工控機(jī)，由工控機(jī)輸出滅火驅(qū)動信號并實(shí)時(shí)顯示火情信息。監(jiān)測控制節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖3a）所示。系統(tǒng)的報(bào)警滅火處理子程序的流程圖如圖3b）所示。

圖3 ?監(jiān)測控制節(jié)點(diǎn)主程序及報(bào)警滅火處理子程序流程圖

3.2 ?上位機(jī)人機(jī)交互界面開發(fā)

3.2.1 ?前面板界面

前面板方便用戶與系統(tǒng)之間的信息交流，包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、采集信號波形、數(shù)據(jù)存儲路徑選擇、采集電壓值的顯示以及超限報(bào)警等功能[6]。本火情監(jiān)測系統(tǒng)第一個(gè)選項(xiàng)卡中包含所有基礎(chǔ)功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)采棉機(jī)火情的直觀監(jiān)測，其他輔助及設(shè)置均放置于界面的選項(xiàng)卡，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行切換。

3.2.2 ?系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序由4部分組成：

1） 采集數(shù)據(jù)部分。通過調(diào)試，確定合適的接線端配置、采樣模式、采樣通道、采樣率和采樣次數(shù)[7?9]。

2） 處理數(shù)據(jù)部分。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，濾波放大并確定截止頻率等。

3） 報(bào)警滅火部分。根據(jù)火情監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，手動設(shè)置各傳感器的閾值范圍，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滅火模型植入系統(tǒng)，保障火情報(bào)警系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4） 數(shù)據(jù)管理模塊。將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并保存，便于日后火情的調(diào)研或信息查找[10?11]。系統(tǒng)部分程序如圖4所示。

4 ?試驗(yàn)與功能驗(yàn)證

4.1 ?試驗(yàn)材料和方法

為檢驗(yàn)基于CAN總線的采棉機(jī)火情報(bào)警及滅火系統(tǒng)對火情監(jiān)測的準(zhǔn)確性，以六行打包式棉花收獲機(jī)為研究對象，搭建試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)材料選擇“新陸早36號”棉花，試驗(yàn)器材主要有管道支架、輸棉管道、變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)。監(jiān)測裝置試驗(yàn)臺如圖5所示。當(dāng)上位機(jī)判斷到獲得的數(shù)據(jù)到達(dá)或超過設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入報(bào)警滅火處理子程序，先后進(jìn)行報(bào)警判斷、滅火判斷。

圖4 ?數(shù)據(jù)傳送及解析存儲程序

圖5 ?采棉機(jī)火情監(jiān)測裝置試驗(yàn)臺

4.2 ?試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，棉花在明火、陰燃狀態(tài)下報(bào)警率分別為98.5%，96.3%，系統(tǒng)能夠滿足監(jiān)測報(bào)警的基本功能要求。棉花在明火狀態(tài)下，紅外傳感器電壓采樣值與無火狀態(tài)下的電壓采樣值壓差較大，響應(yīng)明顯;棉花陰燃狀態(tài)下，一氧化碳傳感器和煙霧傳感器較無火狀態(tài)下采樣值突增，響應(yīng)明顯;無火狀態(tài)下存在誤報(bào)，誤報(bào)率為2.5%，產(chǎn)生誤報(bào)的主要原因是傳感器閾值選擇不當(dāng)，濾波頻率范圍過大等，有待進(jìn)一步調(diào)試優(yōu)化。

5 ?結(jié) ?論

本文研究設(shè)計(jì)了采棉機(jī)火情監(jiān)測及滅火系統(tǒng)，基于CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采棉機(jī)作業(yè)過程中火情信號的實(shí)時(shí)采集、報(bào)警、滅火、火情數(shù)據(jù)的保存和調(diào)用等功能。針對棉花的不同起火類型，該監(jiān)測系統(tǒng)均可以有效地感知火情并報(bào)警，且該系統(tǒng)誤報(bào)率較低。系統(tǒng)利用噴淋滅火技術(shù)，對采棉機(jī)火情第一時(shí)間執(zhí)行有效地滅火，防止火勢擴(kuò)大蔓延，大大降低了采棉機(jī)起火所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

注：本文通訊作者為張茜。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.我國棉花生產(chǎn)綜合機(jī)械化率突破70%[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2018（1）：132.

Anon. The comprehensive mechanization rate of China′s cotton production breaks through 70% [J]. Farm machinery， 2018（1）： 132.

[2] 謝蓓，尹文慶，朱劍.基于CAN總線的聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（4）：382?386.

XIE Bei， YIN Wenqing， ZHU Jian. Research on intelligent working condition monitoring system of combine harvester based on CAN bus [J]. Jiangsu agricultural sciences， 2012， 40（4）： 382?386.

[3] 何凱，吳健，黃友銳，等.基于CAN總線和ZigBee的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（12）：64?66.

HE Kai， WU Jian， HUANG Yourui， et al. Design of coal mine gas monitoring system based on CAN bus and ZigBee [J]. Instrument technique and sensor， 2013（12）： 64?66.

[4] 王振華，李文廣，翟改霞，等.基于單片機(jī)控制的氣力式免耕播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（z1）：56?60.

WANG Zhenhua， LI Wenguang， ZHAI Gaixia， et al. Monitoring system of pneumatic no?tillage sower based on PIC single?chip microcomputer control [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S1）： 56?60.

[5] 林凡強(qiáng)，張陽，楊文旭.基于紅外火焰?zhèn)鞲衅骱妥钚《朔ǖ臏缁饳C(jī)器人[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（1）：110?112.

LIN Fanqiang， ZHANG Yang， YANG Wenxu. Fire?fighting robot based on infrared flame sensor and least?square method [J]. Transducer and microsystem technologies， 2015， 34（1）： 110?112.

[6] 張若宇，丁竹青，李曉良，等.基于虛擬儀器的籽棉殘膜分離裝置測試系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（10）：97?102.

ZHANG Ruoyu， DING Zhuqing， LI Xiaoliang， et al. Automatic monitor system for mesh roller type unginned cotton and film remnant separator based on virtual instrument [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（10）： 97?102.

[7] 李陽.采棉機(jī)作業(yè)工況監(jiān)測及典型故障診斷研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2017.

LI Yang. Study on working condition monitoring and typical fault diagnosis of cotton?picking machine [D]. Beijing： Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences， 2017.

[8] 郝麗，趙偉.MAX、DAQ助手及DAQmx VI之間的邏輯關(guān)系[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（6）：82?85.

HAO Li， ZHAO Wei. Logical relationship between MAX， DAQ assistant and DAQmx VI [J]. Research and exploration in laboratory， 2012， 31（6）： 82?85.

[9] 苗中華，陸鳴超，胡曉東，等.基于虛擬儀器技術(shù)的采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（23）：35?42.

MIAO Zhonghua， LU Mingchao， HU Xiaodong， et al. Development and application of intelligent monitoring and controlling system for cotton?picking machine based on virtual instrument technology [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（23）： 35?42.

[10] 王樹東，何明.LabVIEW在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].國外電子測量技術(shù)，2014，33（6）：103?106.

WANG Shudong， HE Ming. Data acquisition system applied research based on LabVIEW [J]. Foreign electronic measurement technology， 2014， 33（6）： 103?106.

[11] 廖平，吳躍松，王鵬，等.基于CAN總線的大量程超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（10）：62?65.

LIAO Ping， WU Yuesong， WANG Peng， et al. Large sensing range ultrasonic distance measurement system based on CAN bus [J]. Instrument technique and sensor， 2014（10）： 62?65.