1 原理概述
在城市生產(chǎn)生活中，會產(chǎn)生大量的生活廢水和工業(yè)廢水，這些廢水中含有的各種物質(zhì)，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)會生成各種有毒有害及可燃性的氣體。這些氣體不但會污染周邊環(huán)境，影響人民群眾的生活質(zhì)量，而且還可能發(fā)生劇烈的爆炸，嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。
基于現(xiàn)實生活中的迫切需求，有必要對城市環(huán)境中存在的各種氣體進行實時檢測，以免造成生命財產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。本期介紹一種檢測下水道中可燃性氣體的設(shè)備。
在下水道中，可燃性氣體的主要成分是甲烷。因此，我們可以通過可燃性氣體傳感器來實時地監(jiān)測下水道氣體中甲烷的含量，當(dāng)其濃度超標(biāo)時及時通知管理人員進行處理。
2 通信方式
現(xiàn)場采集終端與監(jiān)控中心的通信方式，有以下幾種常見的方式：
方案1：現(xiàn)場采集終端和監(jiān)控中心都接入互聯(lián)網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)交互。該方案的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大，監(jiān)控中心布置靈活。但缺點是要求現(xiàn)場采集點附近有寬帶網(wǎng)絡(luò)接入點，所以對監(jiān)測點的選擇有較大的限制，同時有線方式施工維護比較繁瑣。
方案2：現(xiàn)場采集終端和監(jiān)控中心都安裝無線數(shù)傳電臺，所有數(shù)據(jù)直接以無線方式傳輸。該方案的優(yōu)點是不用布線，對監(jiān)測點的選擇靈活。但缺點是要架設(shè)電臺天線，而且功率受法規(guī)限制，信號覆蓋范圍有限。
方案3：現(xiàn)場采集終端采用GPRS無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控中心采用專線或有線寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)。該方案同時具有覆蓋面廣（有手機信號的地方就能安裝監(jiān)測終端）、安裝方便、維護成本低（按流量收費）、通信穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，是該應(yīng)用的最佳通信方案。
3 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由可燃性氣體傳感器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備、監(jiān)控中心服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫軟件等幾大部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。
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3.1 可燃性氣體傳感器
可燃性氣體傳感器是將設(shè)備現(xiàn)場的可燃性氣體的體積含量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出或者通過數(shù)字方式以一定的通信協(xié)議輸出的設(shè)備?？扇夹詺怏w傳感器主要分為半導(dǎo)體式、催化燃燒式、熱傳導(dǎo)式和紅外式等不同類型。傳感器的數(shù)據(jù)輸出分為電壓型、電流型、數(shù)字通信型等類型。其中紅外式傳感器是目前比較先進的傳感器，具有使用壽命長、氣體選擇性好、不易受有害氣體影響而中毒老化等優(yōu)點，但其售價也相對較高。綜合各種考慮，我們推薦用戶采用紅外式可燃性氣體傳感器。圖2是市場上常見的一些知名品牌的氣體傳感器。
3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求能夠以一定周期從傳感器讀取采樣結(jié)果，進行初步的預(yù)警報警判斷，并且將采樣結(jié)果通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器。
工業(yè)現(xiàn)場的工作條件一般較為惡劣，因此要求數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須具備一些特定的功能。
(1)防水功能：要求采樣終端設(shè)備能長期抵御雨水淋濺和潮氣侵入，以保證內(nèi)部電子器件正常工作，通常要求防水等級在IP64以上；
(2)內(nèi)置電池：保證設(shè)備在市電停電后仍然能夠正常工作一段時間；
(3)日志功能：能夠保存設(shè)備一定時間內(nèi)的運行狀態(tài)，方便日后管理人員進行分析；
(4)參數(shù)可設(shè)置：設(shè)備必須能夠設(shè)定檢測氣體濃度時的報警預(yù)警值，檢測氣體的周期，采樣數(shù)據(jù)的上傳周期等參數(shù)，方便用戶接駁不同類型的傳感器；
(5)內(nèi)置時鐘：方便對采集的數(shù)據(jù)添加時間戳。
廣州致遠電子有限公司研發(fā)生產(chǎn)的GPRS數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備ZWG-PT01就是一款滿足上述要求的產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有IP65的防護等級，內(nèi)置1.3 Ah的密封鉛酸蓄電池，智能數(shù)據(jù)報警預(yù)警判斷，能夠保存一周的工作日志等特點。ZWG-PT01產(chǎn)品的外形如圖3所示。
(1)產(chǎn)品主要特性
· 整機采用適合戶外使用的聚碳酸酯材料(PC)外殼，達到IP65防護等級(防塵、防水噴淋），并且抗太陽光紫外線；
· GPRS天線內(nèi)置，防止被破壞；
· 市電220 V供電，整機最大功耗小于5 W；
· 10個LED指示燈用于指示設(shè)備的工作狀態(tài)和異常狀態(tài)；
· 內(nèi)置備用電池，在交流220 V市電停電時可持續(xù)供電4 h；
· 輸出符合本安要求的電源(12 V最大350 mA)供外部傳感器使用；
· 通過RS485接口獲取可燃性氣體傳感器的采樣數(shù)據(jù)；
· 內(nèi)置高精度工業(yè)級實時時鐘(最大誤差：0.5 s/d)，方便添加時間戳；
· 具備溫度、濕度、工作電壓等測量功能，方便維護人員了解設(shè)備運行狀態(tài)；
· 內(nèi)置300條采樣數(shù)據(jù)存儲空間，用于通信異常時緩存采樣數(shù)據(jù)；
· 內(nèi)置大容量Flash器件，能記錄最近一周內(nèi)設(shè)備運行日志信息；
· 支持短信報警和短信配置設(shè)備參數(shù)功能；
· 支持本地串口升級和遠程GPRS升級，方便程序更新。
(2)電源管理
為了保證偶然的短期停電時不影響設(shè)備的正常工作，同時為了保證停電情況下緊急狀態(tài)時設(shè)備能夠繼續(xù)工作一段時間，設(shè)備內(nèi)置了1.3 Ah的密封鉛酸蓄電池。在市電正常情況時，蓄電池處于自動充電狀態(tài)；在市電停電后，設(shè)備根據(jù)當(dāng)前工作模式?jīng)Q定開機時間長短。圖4是設(shè)備各個工作模式轉(zhuǎn)換的示意圖。
(3)數(shù)據(jù)采集
ZWG-PT01通過RS485總線采集傳感器采樣得到的氣體濃度數(shù)據(jù)。在RS485總線上可以安裝多個氣體傳感器，方便用戶對一定范圍之內(nèi)的可燃性氣體的含量進行多點檢測，方便用戶升級氣體傳感器，也方便用戶增加檢測氣體的種類。
設(shè)備獲取到原始氣體濃度之后，使用軟件濾波算法進行濾波處理。用戶通過配置選項可以控制該算法的濾波強度。濾波之后的數(shù)據(jù)與用戶預(yù)先設(shè)定的預(yù)警報警值進行比較判斷，如果達到用戶設(shè)定的預(yù)警報警值，則該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，否則為正常數(shù)據(jù)。
(4)數(shù)據(jù)通信
對于正常數(shù)據(jù)，設(shè)備會周期性地將其上傳到服務(wù)器。對于異常數(shù)據(jù)，設(shè)備會將其立即上傳至服務(wù)器。另外用戶還可設(shè)置數(shù)據(jù)異常時設(shè)備是否發(fā)送報警短信到指定手機。
設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器之后，等待來自服務(wù)器的應(yīng)答。只有接收到服務(wù)器的應(yīng)答，設(shè)備才認為一幀數(shù)據(jù)發(fā)送成功。
如果用戶使能了短信數(shù)據(jù)傳輸功能，則管理人員可以發(fā)送短信息更改設(shè)備的運行參數(shù)，或者獲取設(shè)備運行的關(guān)鍵信息。
在設(shè)備運行的過程中，如果由于某些原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)連接斷開，則設(shè)備能夠自動重新建立與服務(wù)器的連接。自動重連的過程不影響數(shù)據(jù)的采樣，也不會丟失采樣數(shù)據(jù)。
3.3 監(jiān)控中心服務(wù)器
監(jiān)控中心服務(wù)器的功能是接收ZWG-PT01數(shù)據(jù)采集設(shè)備上傳的采樣數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的顯示和保存，提供歷史數(shù)據(jù)的查詢分析，生成各種報表等。同時，當(dāng)接收到異常數(shù)據(jù)時，服務(wù)器應(yīng)該能夠提醒管理人員進行緊急處理。
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監(jiān)控中心服務(wù)器必須是能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)的計算機，可為其申請固定IP或者動態(tài)域名。
數(shù)據(jù)采集設(shè)備ZWG-PT01上電后，會以TCP客戶端的方式自動連接監(jiān)控中心服務(wù)器。如果連接不成功會繼續(xù)重連，直到連接成功。
4 設(shè)備安裝注意事項
(1)設(shè)備使用GPRS無線方式通信，因此應(yīng)選擇在不屏蔽手機信號的地點安裝；
(2)不要在禁止使用射頻設(shè)備的場合使用該設(shè)備，例如加油站和醫(yī)院內(nèi)部；
(3)設(shè)備具有IP65的防護等級，請不要在超出其防護等級的場合使用該設(shè)備。
該設(shè)備在多個城市投入使用后，運行穩(wěn)定可靠，有效地檢測到潛在的可燃性氣體的危險，維護了廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟效益。通過選配不同的傳感器，配置不同的運行參數(shù)，該設(shè)備同樣適用于環(huán)境檢測場合，滿足各種不同的需求。