摘 要： 针对采棉机作业过程中难以实现火情实时监测和精准报警的问题，提出一种基于CAN总线技术的采棉机火情监测方法，并对火情监测系统的硬件和软件结构进行设计。利用多信息快速传输、多节点实时监测等技术，设计火情监测系统主程序、火情信息采集和灭火处理子程序，基于LabVIEW开发人机交互界面。试验结果表明，该系统可实现信息迅速采集、多通道节点实时监测和精准报警的功能。
关键词： 采棉机; 火情信息采集; 火情监测; 精准报警; 灭火系统; 实时监测
中图分类号： TN931+.3⁃34; S224.1 文献标识码： A 文章编号： 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
我国是棉花生产大国，棉花是国民经济重要组成部分和国家战略物资。棉花机械化采收是棉花生产过程中的关键环节，机械化采收对于降低劳动强度、提高生产率和增加农民收入具有重要意义。截止到2017年，机械化采收在我国棉花生产过程中已达73%，并且采棉机的使用率逐年增加[1]。当今国内市场主要采用水平摘锭式采棉机，摘锭会与棉花秸秆或杂质产生摩擦，通过风送系统吹进集棉箱，易产生火花，火情不易被发现，容易导致经济损失甚至威胁作业人员的安全。目前，国内外关于联合收割机监测、矿井瓦斯监测、播种机监测等[2⁃4]的研究较多，而关于采棉机火情监测及灭火系统的研究较少。因此，本文针对采棉机作业过程中出现的火情问题，采用基于CAN总线技术设计出一种采棉机火情监测系统及灭火系统，用于实时监测火情并及时报警、停车灭火，保证采棉机安全作业。并对采棉机火情监测灭火系统进行了硬件、软件的开发与设计。
1 系统总体结构与工作原理
本文以4MZ⁃6型六行打包式棉花收获机为研究对象，设计采棉机火情监测及灭火系统。该系统主要由上位机和各监测子系统组成，如图1所示。系统工作原理为，传感器将采集到的火情数据经火情监测子系统通过CAN总线传递给上位机，上位机对数据进行解析判断，解析后结果大于系统设定的报警阈值，系统发出警报并启动灭火处理子程序。
图1 系统整体结构图
2 采棉机火情监测系统硬件设计
2.1 火情监测系统监测节点设计
采棉机火情监测系统采用分布式结构，由总线通信电路和相关辅助电路构成。监测探头由温度传感器、烟雾传感器、红外火焰传感器和一氧化碳传感器构成。硬件设计选用P80C592微处理器并通过内部驱动器PCA82C250完成数据的采集和传输。微处理器P80C592和驱动器PCA82C250连接光电耦合器6N137，可提高系统抗干扰能力。基于CAN总线的监测节点设计如图2所示。
图2 基于CAN总线的火情系统监测节点结构图
2.2 传感器电路设计
2.2.1 烟雾传感器A/D转换电路
由于机采棉含有部分杂质，当采棉机发生火情时会产生大量烟雾，所以设计采用MQ⁃2型烟雾传感器，该传感器为表面离子式N型二氧化锡半导体气敏材料。二氧化锡在较高温度（200～300 ℃）时会吸附空气中的氧，使表面构成氧的负离子层，材料中的电子密度减少，导致电阻增加。烟雾浓度越高，输出电阻越低，导电率就越大，则输出的模拟信号就越大。利用该材料的这种特点能够获得烟雾信息[5]。电路使用的ADC0804是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，输出数字量为：
[D=V256VREF] （1）
式中：D为数字输出量;V为模拟输入电压;[VREF]为参考电压。
2.2.2 温度传感器数据采集电路
棉花疏松多孔，组织形态与空气接触面积大，燃点和含水率都较低，分别为150 ℃，12%。由于采棉机工作时产生热量，棉花温度升高，一旦棉纤维与明火接触，极易发生燃烧。温度传感器采用的型号为DS18B20型，该温度传感器通过编程实现9～12位数字值读数方式，能够直接读出被测温度，完成这些数字量转换的时间仅需要93.75 ms和750 ms。
2.2.3 火焰传感器电路
棉花的主要成分是纤维素，棉花成熟期纤维素含量高达95%以上。棉花燃烧时火焰含有红外线和紫外线等肉眼无法识别的特征，故系统设计采用红外火焰传感器。当红外光波长在880 nm附近时，该传感器的灵敏度最高。红外火焰传感器将红外光的强弱信号转变为电压信号，并通过A/D转换器转换为0～255 V范围内的数值。红外光的强弱和A/D转换器转换的数值成反比[6]。
2.3 灭火执行模块设计
在采棉机集棉箱顶部安装灭火喷淋装置，能对初期火情进行有效控制和扑灭，实现集棉箱区域化喷淋灭火，每块区域喷淋装置由电磁阀统一控制通断[7]。当上位机监测到火情并发出灭火指令，系统启动电磁阀控制喷淋灭火。控制区域安装的电磁阀采用的是美国雨鸟电磁阀，电压为30 V直流电。其具备手动控制功能，当自动控制暂时失效时能够采用手动控制进行灭火。
2.4 工控机与CAN总线通信接口适配卡设计
工控机与各监测节点的通信由CAN总线通信接口适配卡负责，各监测节点上的数据通过CAN总线传输到工控机，工控机对数据进行处理后，再将数据和指令通过CAN总线输送到各监测节点，适配卡由AT89C52，SJA1000，AT82C520等组成。
3 采棉机火情监测系统软件设计
3.1 系统主程序设计及灭火处理子程序
采棉机火情监测系统控制节点主程序对接收的数据进行放大滤波、解析处理，其次采集到的数据通過CAN总线传输给工控机，由工控机输出灭火驱动信号并实时显示火情信息。监测控制节点主程序流程图如图3a）所示。系统的报警灭火处理子程序的流程图如图3b）所示。
图3 监测控制节点主程序及报警灭火处理子程序流程图
3.2 上位机人机交互界面开发
3.2.1 前面板界面
前面板方便用户与系统之间的信息交流，包括数据输入、数据采集及实时显示、数据采集参数设置、采集信号波形、数据存储路径选择、采集电压值的显示以及超限报警等功能[6]。本火情监测系统第一个选项卡中包含所有基础功能模块，能够实现采棉机火情的直观监测，其他辅助及设置均放置于界面的选项卡，用户可根据需要进行切换。
3.2.2 系统程序
系统程序由4部分组成：
1） 采集数据部分。通过调试，确定合适的接线端配置、采样模式、采样通道、采样率和采样次数[7⁃9]。
2） 处理数据部分。对采集到的数据进行解析处理，滤波放大并确定截止频率等。
3） 报警灭火部分。根据火情监测系统的技术参数指标，手动设置各传感器的阈值范围，将神经网络灭火模型植入系统，保障火情报警系统正常运行。
4） 数据管理模块。将采集到的数据实时显示并保存，便于日后火情的调研或信息查找[10⁃11]。系统部分程序如图4所示。
4 试验与功能验证
4.1 试验材料和方法
为检验基于CAN总线的采棉机火情报警及灭火系统对火情监测的准确性，以六行打包式棉花收获机为研究对象，搭建试验平台。试验材料选择“新陆早36号”棉花，试验器材主要有管道支架、输棉管道、变频器、电机、风机。监测装置试验台如图5所示。当上位机判断到获得的数据到达或超过设定的报警阈值时，系统采集到的数据进入报警灭火处理子程序，先后进行报警判断、灭火判断。
图4 数据传送及解析存储程序
图5 采棉机火情监测装置试验台
4.2 试验结果
试验数据如表1所示，棉花在明火、阴燃状态下报警率分别为98.5%，96.3%，系统能够满足监测报警的基本功能要求。棉花在明火状态下，红外传感器电压采样值与无火状态下的电压采样值压差较大，响应明显;棉花阴燃状态下，一氧化碳传感器和烟雾传感器较无火状态下采样值突增，响应明显;无火状态下存在误报，误报率为2.5%，产生误报的主要原因是传感器阈值选择不当，滤波频率范围过大等，有待进一步调试优化。
5 结 论
本文研究设计了采棉机火情监测及灭火系统，基于CAN总线技术实现了采棉机作业过程中火情信号的实时采集、报警、灭火、火情数据的保存和调用等功能。针对棉花的不同起火类型，该监测系统均可以有效地感知火情并报警，且该系统误报率较低。系统利用喷淋灭火技术，对采棉机火情第一时间执行有效地灭火，防止火势扩大蔓延，大大降低了采棉机起火所带来的经济损失。
注：本文通讯作者为张茜。
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