隨著人們生活質(zhì)量的提高，液化氣、天然氣等清潔能源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。燃?xì)馐聵I(yè)的迅速發(fā)展，給人們帶來(lái)方便的同時(shí)也帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)。燃?xì)庠谑褂眠^程中易發(fā)生泄漏事故，一旦空氣中泄漏的燃?xì)廨^多，極易引起火災(zāi)、爆炸等重大安全事故。由于燃?xì)鉂舛冗^高的危險(xiǎn)不易被人察覺，在燃?xì)庑孤┍ǖ亩喟l(fā)場(chǎng)所，如天然氣加氣站、液化氣站、城市餐館的廚房等，存在著重大的安全隱患[1]。

    現(xiàn)有燃?xì)鈭?bào)警器只滿足基本的報(bào)警需求，在發(fā)生燃?xì)庑孤┪ｋU(xiǎn)時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警，而無(wú)法反映燃?xì)庑孤┲翀?bào)警的濃度積累過程[1]。由于電路簡(jiǎn)單、功能單一，這種燃?xì)鈭?bào)警器成本很低，在很多場(chǎng)合有應(yīng)用。但這種報(bào)警器不能記錄燃?xì)鉂舛?，無(wú)法讓用戶在燃?xì)庑孤┏跗诰图皶r(shí)了解燃?xì)鉂舛鹊淖兓厔?shì)，存在監(jiān)控范圍有限、不能遠(yuǎn)程監(jiān)控的局限性。
    除了初級(jí)的燃?xì)鈭?bào)警器，工業(yè)級(jí)燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)設(shè)備被大量應(yīng)用在如天然氣采集井站、天然氣輸送管道等工業(yè)場(chǎng)所。通常此類設(shè)備都是復(fù)雜的實(shí)時(shí)燃?xì)獗O(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng),采用RS-485有線網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍的燃?xì)庑孤┻h(yuǎn)程監(jiān)控，有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史曲線查詢等多種功能,且具有監(jiān)測(cè)精度高、可靠性好、系統(tǒng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)[2-3]。然而將這種大型工業(yè)控制系統(tǒng)移植到各個(gè)燃?xì)庑孤┑亩喟l(fā)場(chǎng)所又困難重重。監(jiān)控區(qū)域范圍小而分散、引進(jìn)成本高、安裝或維護(hù)成本高等問題尤其突出。
    為了有效減少天然氣加氣站、液化氣站、城市餐館的廚房等場(chǎng)所由于燃?xì)庑孤?dǎo)致的損失，加強(qiáng)對(duì)燃?xì)庑孤┑某跗诒O(jiān)測(cè)是非常有必要的。本文通過對(duì)以上小型燃?xì)饧袌?chǎng)所中燃?xì)獗O(jiān)測(cè)需求的分析，提出了一種基于短距離無(wú)線/有線通信的燃?xì)獗O(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。它不僅保持了工業(yè)級(jí)燃?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),有較高的監(jiān)測(cè)精度、動(dòng)態(tài)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，而且繼承了現(xiàn)有燃?xì)鈭?bào)警器低成本、小型化的傳統(tǒng)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，改用短距離無(wú)線通信技術(shù)，兼容有線通信來(lái)適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還加入了環(huán)境溫度監(jiān)控和二級(jí)報(bào)警的功能，加強(qiáng)監(jiān)控，提早預(yù)警。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要分為無(wú)線/有線燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端、接收終端和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)三部分。系統(tǒng)示意圖如圖1所示?？紤]到小型燃?xì)饧袌?chǎng)所中，燃?xì)馐褂命c(diǎn)分散，因此應(yīng)當(dāng)在多處隱患點(diǎn)配置燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端。燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端不僅實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的燃?xì)庑孤﹫?bào)警功能，還將定時(shí)采集的燃?xì)鉂舛群蜏囟葦?shù)據(jù)通過433 MHz無(wú)線鏈路或RS-232有線鏈路主動(dòng)上傳到上位機(jī)。上位機(jī)則通過無(wú)線接收終端或串口接收數(shù)據(jù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)警等功能。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的變化，系統(tǒng)中接收終端與燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端的關(guān)系可由一對(duì)一轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)多。當(dāng)燃?xì)鉂舛然颦h(huán)境溫度超過預(yù)警或報(bào)警值時(shí)，燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端能夠及時(shí)發(fā)出本地預(yù)警/報(bào)警，并且上位機(jī)端也能夠預(yù)警/報(bào)警來(lái)提醒用戶注意燃?xì)馐褂冒踩?/p>

以適應(yīng)單片機(jī)的輸入電壓的采集范圍，得到更高的測(cè)量精度。為將模擬電壓信號(hào)數(shù)字化以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鉂舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè),采用ADC轉(zhuǎn)換電路是很有必要的。更重要的是，能把數(shù)字化的燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行線性化校正和補(bǔ)償處理來(lái)保證較高的測(cè)量精度[4]。再加上終端系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、控制溫度采集和報(bào)警電路等需求，選用內(nèi)嵌ADC的8位單片機(jī)能很好地實(shí)現(xiàn)這些功能，來(lái)完成燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)的采集、校正補(bǔ)償和系統(tǒng)控制，既保證測(cè)量精度，又保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊和RS-232有線模塊作為通信模塊，將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。獨(dú)立的電源模塊接入市電，完成降壓、濾波、穩(wěn)壓等任務(wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源。
    本系統(tǒng)中的器件均選用通用的性價(jià)比高的器件，有很強(qiáng)的適用性。因此本系統(tǒng)低成本、小型化、測(cè)量精度較高、綜合性能好，有很大的應(yīng)用前景。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)
    氣體傳感器選用通用的催化燃燒式氣體傳感器，具有輸出信號(hào)線性好、指數(shù)可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]。氣體傳感電路采用惠斯頓電橋測(cè)試電路，當(dāng)空氣中有一定的可燃?xì)怏w時(shí)，探測(cè)元件因燃燒而電阻值上升，使得電橋失衡，輸出微小電壓差。模擬信號(hào)處理電路采用典型差分運(yùn)算放大電路，將氣體傳感電路輸出的微小電壓差放大，使放大后的電壓差均勻映射到單片機(jī)模擬電壓的采集范圍，以保證測(cè)量精度。電路原理圖如圖3所示。其中，通過可調(diào)電阻R12可調(diào)節(jié)氣體傳感電路的零點(diǎn)，使電橋平衡。

    溫度傳感器采用的DS18B20是一種“一線總線”接口芯片，被普遍使用的數(shù)字溫度傳感器。與傳統(tǒng)的測(cè)溫元件相比，它是一種體積小、適用電壓寬、與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單的數(shù)字化溫度傳感器。其精度高、測(cè)溫范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)測(cè)量溫度的需求。
    燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端選用8位單片機(jī)STM8S103K3為核心控制器，在燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)的數(shù)字化和線性化處理工作中起重要作用。該款單片機(jī)具有3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)置10位ADC，可提供多路復(fù)用通道實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，有UART、SPI和I2C多種通信接口。因此，不論是采集模擬電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)還是搭載多種通信接口的外設(shè)，該款單片機(jī)都能滿足本系統(tǒng)的需求。而且該款單片機(jī)具有單線接口模塊和調(diào)試模塊，可以方便地進(jìn)行在線編程和調(diào)試。
    無(wú)線發(fā)送模塊采用常用的433 MHz射頻芯片CC1101。CC1101是一款低功耗、集成度高、多通道的高性能無(wú)線射頻收發(fā)芯片，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500 kb/s，特別適合于433 MHz短距離通信設(shè)備的無(wú)線應(yīng)用[6]。射頻芯片通過SPI接口與單片機(jī)相連， 其硬件連接圖如圖4所示。在SPI工作模式下，單片機(jī)為主機(jī)模式，射頻芯片為從機(jī)模式。

2.2 無(wú)線接收終端硬件設(shè)計(jì)
    無(wú)線接收終端是以CC1101芯片和通用8051單片機(jī)為核心的USB虛擬串口無(wú)線數(shù)傳模塊，專用于上位機(jī)的無(wú)線通信應(yīng)用[6]。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。無(wú)線接收終端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)功能，由單片機(jī)控制射頻芯片接收數(shù)據(jù)，通過USB虛擬串口與上位機(jī)物理連接，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。

3  軟件設(shè)計(jì)
3.1燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)包格式
    燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端通過通信模塊定時(shí)主動(dòng)上傳燃?xì)鉂舛群铜h(huán)境溫度數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)終端有唯一的編號(hào)。終端周期性地向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包共有6 B，分別標(biāo)識(shí)終端編號(hào)、燃?xì)鉂舛華DC值、溫度值和校驗(yàn)位，其格式定義如表1所示。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，依字節(jié)解析出終端的編號(hào)并按公式轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的燃?xì)鉂舛群蜏囟葦?shù)據(jù)。

3.2 燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)
    燃?xì)獗O(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)采用STM8S控制器的開發(fā)工具STVD編寫，編程語(yǔ)言為 C語(yǔ)言。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校正處理、狀態(tài)指示和報(bào)警、上傳數(shù)據(jù)等功能。
　 系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)時(shí)鐘和各模塊初始化，單片機(jī)定時(shí)采集信號(hào)處理電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換成ADC值。單片機(jī)采取對(duì)燃?xì)獾腁DC值5次取平均的措施防止誤警情況的發(fā)生。但這種情況下，燃?xì)鉂舛韧辉鰰r(shí)有遺漏報(bào)警的可能，因此單片機(jī)在每次采集時(shí)都判斷是否超到報(bào)警值來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。最后讀取溫度數(shù)據(jù)，將采集到的燃?xì)鉂舛華DC平均值和溫度數(shù)據(jù)打包處理，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包格式通過通信模塊發(fā)送到上位機(jī)。軟件流程圖如圖6所示。

3.3 無(wú)線接收終端軟件設(shè)計(jì)
    無(wú)線接收終端的軟件運(yùn)行在8051單片機(jī)上，主要功能是控制CC1101射頻芯片接收數(shù)據(jù)包，然后通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。軟件流程圖如圖7所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及監(jiān)控平臺(tái)驗(yàn)證
    試驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為甲烷-空氣混合氣體測(cè)試環(huán)境。將已調(diào)好零點(diǎn)的2臺(tái)燃?xì)獗O(jiān)測(cè)報(bào)警終端同時(shí)終端編號(hào)為0x01和0x02，將其放入甲烷氣體測(cè)試箱，接通電源后打開上位機(jī)監(jiān)控軟件。依次向氣體測(cè)試箱中注入等體積的甲烷，每次注入的甲烷體積約為氣體測(cè)試箱體積的1‰，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件可看到2個(gè)終端在不同甲烷濃度下的甲烷濃度和測(cè)試箱溫度[7]。試驗(yàn)結(jié)果顯示2臺(tái)終端具有幾乎一致的結(jié)果曲線，這里僅給出一個(gè)終端的曲線圖，圖8所示為終端編號(hào)0x02的試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。測(cè)試時(shí)上位機(jī)監(jiān)控軟件界面如圖9所示，圖中展示的功能為歷史曲線查詢。

    分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)的結(jié)果曲線具有非常好的線性度，燃?xì)獗O(jiān)測(cè)精度保持在4%以內(nèi)，報(bào)警點(diǎn)測(cè)量精度可控制到3%以內(nèi)，精度較高，滿足了應(yīng)用的需求。
    上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Visual Studio 2008作為開發(fā)工具。實(shí)現(xiàn)對(duì)各終端的氣體濃度和溫度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢和二級(jí)報(bào)警提示功能。同時(shí)可通過Excel表格數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、刪除、打印等操作。監(jiān)測(cè)報(bào)警界面使用C#編程實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)時(shí)查看各終端的氣體濃度和溫度數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)曲線。
    本燃?xì)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)" title="監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)" target="_blank">監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)具有氣體濃度和溫度數(shù)據(jù)采集的雙重功能，采用短距離無(wú)線通信技術(shù)，又兼容有線通信應(yīng)用，且有體積小、成本低、功耗低、安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。上位機(jī)監(jiān)控軟件界面友好，功能模塊化，易于操作。該系統(tǒng)在有短距離無(wú)線通信需求和燃?xì)獗O(jiān)測(cè)和報(bào)警需求的應(yīng)用領(lǐng)域有著十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
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