基本信息
- 项目名称：
- 有害气体监测机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 在我国，石油、化工、煤炭等行业有毒气体泄漏时有发生，这些灾难发生后，现场环境具有复杂性和危险性。 为降低现场探测时对检测人员的伤害，并实现对事故现场的远程监控，设计了基于ARM 9的有害气体监测机器人。 此机器人可用于对工业现场有害气体浓度、环境温度等参数进行巡检，拍摄现场的实时视频画面，通过无线传输功能，能够将现场的数据实时传送给指挥中心。
- 详细介绍：
- 在我国，石油、化工、煤炭等行业有毒气体泄漏时有发生，对人身安全的威胁也越来越大，这些灾难发生后，由于现场环境的复杂性和危险性，救援工作往往很难开展，也给救援队员的生命安全带来很大隐患。因此需要一种能够代替救援队员深入到危险区域并探测现场有用信息的监测机器人。 目前工业应用领域的有害气体检测仪器大多是固定式或便携式的。使用固定式检测仪器，只能在安装点及其附近进行数据测量，检测范围小，局限性大；使用便携式检测仪器，仍需人员手持到现场进行操作。在石油、化工、煤炭等行业，生产车间在发生气体泄漏后，现场环境变得高危，不宜人员进入，而做出及时、正确的判断和决定又依赖于及时、准确的事故现场数据。还有一些本身就需在高危环境下进行生产的特种行业，如多晶硅行业，钒钛行业等，在这些行业的生产车间人员巡检困难、投入大、人员安全不能得到有效保障。 基于上述情况设计了有害气体监测机器人，可以使用此平台对现场有害气体浓度、环境温度等参数进行巡检。主要着重于有害气体监测机器人的数据检测与视频实时传输功能，实现将现场的数据实时传送给指挥中心。 本系统分为既定巡检和手动巡检两种工作模式。既定巡检模式下，机器人可以在车间按指定路线行进，实时检测沿线有害气体浓度和环境温度，获取现场实时图像，通过无线技术将数据上传至上位机，实现自动检测。在有害气体超标或环境温度异常的情况下会报警，将异常数据上报至上位机，自动切换为手动模式。手动巡检模式下，控制人员可以在控制室通过上位机远程控制移动监测装置的运动路径，在需要检测的地点获取实时参数和现场图像。它是一种在企业自动化生产和自动化巡检系统中的自动控制系统。 有害气体监测机器人包括硬件电路制作和软件开发。 硬件方面，对监测装置的电路进行了模块化处理，监测装置主要由控制器模块、传感器模块（气体浓度传感器模块、红外传感器模块、温度传感器模块）、图像采集模块、无线通信模块、电机驱动模块、电源模块组成。控制模块的核心采用的是SAMSUNG公司推出的ARM9处理芯片SC2440，是 16／32位RISC嵌入式微处理器，实现整个系统的控制和调度管理。主要用于对传感器模块采集的温度、气体浓度和摄像头采集的现场图像数据进行分析和处理，输出信号去控制电机驱动模块，从而完成对机器人的前进、后退、左转、右转、现场有害气体的检测、温度的实时测量、现场图像的抓拍和无线传输数据的控制。 软件方面，基于Windows API，通过socket网络编程技术编写了上位机软件，采用嵌入式linux多线程编程技术编写了在有害气体监测机器人上运行的应用程序。 有害气体监测机器人在完成设计功能的前提下，充分考虑到了实用性、能耗、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。由于在电路中增加冗余的功能，所以设计比较复杂，保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步开发。本作品具有较高的实用价值，适用于工业生产过程中各种易造成气体泄漏场合的自动监控，具有较高的创新意义和推广价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 石油、化工、煤炭等行业有毒气体泄漏时有发生，为降低现场探测时对检测人员的伤害，并实现对事故现场的远程监控，设计了有害气体监测机器人。 基本思路： 该监测平台由基于嵌入式系统的监测机器人与上位机构成，将在危险区域获得的视频图像与监测数据实时传送给上位机终端设备。在上位机界面可实时显示采集的数据及图像，以便操作人员对危险现场下一步要开展的工作作出决策。 创新点： (1)代替人员进入危险区域，动态监测有害气体浓度、现场温度和危险环境的视频图像，减少了工作危险性和劳动强度； (2)建立基于无线局域网的实时图像、气体浓度、温度监测系统和自主开发的基于嵌入式Linux多线程技术的应用程序，整个监测平台具有灵活的数据采集性。 (3)可实现既定控制方式和遥控方式的无扰切换。在功能上实现对监测机器人的远程无线控制，可以实时监测现场环境的视频画面，提高准确性，缩短时间，提高效率。 技术关键： 整个监测平台基于嵌入式linux技术，采用嵌入式多线程编程技术，使得整个平台能够同时处理多个传感器信号和图像数据，基于Windows API接口，使用socket套接字网络编程技术自主开发出了上位机软件，在802.11g无线技术标准上，制定了整个平台的通信协议，实现了上位机和移动监测装置的通信。 主要技术指标： 探测范围：100-10000ppm LPG，丁烷，丙烷，LNG（在实验过程中考虑安全性，采用丁烷气体为测试样品）
科学性、先进性
- 科学先进性： (1)弥补了固定式检测装置数据检测的局限性。固定式检测装置安装于有毒气体最易泄露的地点，并只能在安装点及其附近进行数据测量，检测局限性大。本监测装置体积小，操作方便，可沿既定路线监测，也可通过远程遥控移动装置，进入不同的生产位置测量，使得数据测量具有灵活性。 (2)提高监测的安全性，减少人员伤亡。便携式有害气体检测装置仍需人员到现场操作检测，而一些高危环境下或已发生气体泄漏不宜人员进入的场合，该装置可代替人员进入进行检测，通过无线网络将现场数据及图像实时上传至上位机。降低了检测人员的危险性。 (3)缩短了救援准备时间，提高救援效率。常规固定装置监测到气体泄漏，在主控制室报警，指挥人员一般会二次派人员携带便携式检测装置在允许情况下进入现场检测后再做出救援决策。而本装置在此情况下可自动由既定模式无扰切换到手动模式，由主控室指挥人员立刻无线远程操控该装置进行现场数据采集和图像传输，为制定救援决策提供可靠的数据，提高了救援效率。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月在校科技节活动中获科技创新一等奖
作品所处阶段
- 模型阶段
技术转让方式
- 技术合作，成果转化
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势 1）本作品成本低，操作简单，性能可靠。2）数据采集范围广，灵活性强，适用性强。3）该机器人推广使用能够降低人员伤害，提高高危环境操作的安全系数。 2.适用范围： 1）各种易产生有毒易燃气体泄漏的车间及高危场所。2）已发生气体泄漏，需要进行救援、事故处理但人员无法进入的场所。3）可放在指定位置代替有线固定检测装置进行检测。4）对环境危险程度不明确的情况下，监测机器人可先行进入探测。如野外钻探，地下管道巡检、维护等。 3.市场分析和经济效益预测： 我国石油化工、煤化工企业发展迅速，生物化工、农用化工等大型化工制造园区的大量形成，都对气体报警器有广泛的需求。随着国家安检总局对化工、危化品加工领域安全工作要求不断提高，气体检测设备的需求量会逐年增加。本产品比较适合于石油、化工等行业使用，具有较广的应用前景。若以每年1万套，每套5000元计算，其市场规模可达5000万元，经济效益较为明显。
同类课题研究水平概述
- 目前有害气体检测装置与仪表大多是固定式和便携式两种。 固定式气体探测器一般安装在厂房、仓库等固定的检测点，需和报警控制器配合使用，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制。固定式检测装置探测器安装于有害气体最易泄露的地点，一般需要在现场安装的数量比较多，这就导致成本大大增加，且只能在安装点及其附近进行检测，导致测量的参数不具任意性。 有害气体监测机器人可以实现工业现场任意地点任意时刻的环境参数检测，数据采集具有很强的灵活性，并可将采集到的数据以无线方式上传至上位机。 便携式仪器操作方便，体积小巧，可以携带至不同的生产部位。电化学检测仪采用碱性电池供电，可连续使用1000小时;新型LEL检测仪、PID和复合式仪器采用可充电池(有些已采用无记忆的镍氢或锂离子电池)，使得它们一般可以连续工作近12小时，所以，这类仪器在各类工厂和卫生部门的应用越来越广。但便携式检测装置也有其缺陷，比如仍需要检测人员以手持方式到现场进行检测。在某些气体浓度严重超标，对人身造成伤害甚至可能会导致死亡的情况下，人员就不能进入到现场进行测量。在这种情况下，监测机器人可以使用手动检测模式进入现场，通过远程控制的方式在需要检测的地点进行检测，这就保障了人身安全。 目前国内工业现场的监控有组态监控和摄像监控。组态监控有其弊端，比如只能模拟出现场画面，不能真实地反映现场的场景。而有线摄像监控系统在需要防爆隔爆的场合又存在因线路短路而引起火花的隐患，并且摄像监控装置只能安装在固定位置，受摄像头摆动角度限制，易造成监控死角。本作品为此提供了一个很好的解决方案，采用移动式监控，无死角无盲区。基于嵌入式linux技术，采用嵌入式多线程编程，使得整个监测平台能够同时处理多个传感器信号和图像数据，使用socket套接字网络编程技术自主开发出了上位机软件，在802.11g无线技术标准上，制定了整个平台的通信协议，从而实现了上位机和监测机器人的无线数据传输，产生了有害气体监测机器人。
