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用越來越廣泛。燃氣事業(yè)的迅速發(fā)展，給人們帶來方便的同時也帶來了潛在的危險。燃氣在使用過程中易發(fā)生泄漏事故，一旦空氣中泄漏的燃氣較多，極易引起火災、爆炸等重大安全事故。由于燃氣濃度過高的危險不易被人察覺，在燃氣泄漏爆炸的多發(fā)場所，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)有燃氣報警器只滿足基本的報警需求，在發(fā)生燃氣泄漏危險時發(fā)出聲、光報警，而無法反映燃氣泄漏至報警的濃度積累過程[1]。由于電路簡單、功能單一，這種燃氣報警器成本很低，在很多場合有應用。但這種報警器不能記錄燃氣濃度，無法讓用戶在燃氣泄漏初期就及時了解燃氣濃度的變化趨勢，存在監(jiān)控范圍有限、不能遠程監(jiān)控的局限性。
    除了初級的燃氣報警器，工業(yè)級燃氣泄漏監(jiān)測設備被大量應用在如天然氣采集井站、天然氣輸送管道等工業(yè)場所。通常此類設備都是復雜的實時燃氣監(jiān)測報警系統(tǒng),采用RS-485有線網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)大范圍的燃氣泄漏遠程監(jiān)控，有實時監(jiān)測、歷史曲線查詢等多種功能,且具有監(jiān)測精度高、可靠性好、系統(tǒng)化等諸多優(yōu)點[2-3]。然而將這種大型工業(yè)控制系統(tǒng)移植到各個燃氣泄漏的多發(fā)場所又困難重重。監(jiān)控區(qū)域范圍小而分散、引進成本高、安裝或維護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所由于燃氣泄漏導致的損失，加強對燃氣泄漏的初期監(jiān)測是非常有必要的。本文通過對以上小型燃氣集中場所中燃氣監(jiān)測需求的分析，提出了一種基于短距離無線/有線通信的燃氣監(jiān)測報警系統(tǒng)。它不僅保持了工業(yè)級燃氣監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢,有較高的監(jiān)測精度、動態(tài)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和遠程監(jiān)控等功能，而且繼承了現(xiàn)有燃氣報警器低成本、小型化的傳統(tǒng)。在遠程監(jiān)控方面，改用短距離無線通信技術(shù)，兼容有線通信來適應復雜的應用環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還加入了環(huán)境溫度監(jiān)控和二級報警的功能，加強監(jiān)控，提早預警。
1 系統(tǒng)總體方案設計
    本系統(tǒng)主要分為無線/有線燃氣監(jiān)測終端、接收終端和上位機監(jiān)控平臺三部分。系統(tǒng)示意圖如圖1所示?？紤]到小型燃氣集中場所中，燃氣使用點分散，因此應當在多處隱患點配置燃氣監(jiān)測終端。燃氣監(jiān)測終端不僅實現(xiàn)獨立的燃氣泄漏報警功能，還將定時采集的燃氣濃度和溫度數(shù)據(jù)通過433 MHz無線鏈路或RS-232有線鏈路主動上傳到上位機。上位機則通過無線接收終端或串口接收數(shù)據(jù)進而實現(xiàn)動態(tài)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報警等功能。根據(jù)應用環(huán)境的變化，系統(tǒng)中接收終端與燃氣監(jiān)測終端的關(guān)系可由一對一轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚Χ?。當燃氣濃度或環(huán)境溫度超過預警或報警值時，燃氣監(jiān)測終端能夠及時發(fā)出本地預警/報警，并且上位機端也能夠預警/報警來提醒用戶注意燃氣使用安全。

以適應單片機的輸入電壓的采集范圍，得到更高的測量精度。為將模擬電壓信號數(shù)字化以實現(xiàn)對燃氣濃度的實時監(jiān)測,采用ADC轉(zhuǎn)換電路是很有必要的。更重要的是，能把數(shù)字化的燃氣濃度數(shù)據(jù)進行線性化校正和補償處理來保證較高的測量精度[4]。再加上終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、控制溫度采集和報警電路等需求，選用內(nèi)嵌ADC的8位單片機能很好地實現(xiàn)這些功能，來完成燃氣濃度數(shù)據(jù)的采集、校正補償和系統(tǒng)控制，既保證測量精度，又保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。433 MHz無線收發(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。獨立的電源模塊接入市電，完成降壓、濾波、穩(wěn)壓等任務，是整個系統(tǒng)的動力源。
    本系統(tǒng)中的器件均選用通用的性價比高的器件，有很強的適用性。因此本系統(tǒng)低成本、小型化、測量精度較高、綜合性能好，有很大的應用前景。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 燃氣監(jiān)測終端硬件設計
    氣體傳感器選用通用的催化燃燒式氣體傳感器，具有輸出信號線性好、指數(shù)可靠、成本低等優(yōu)點[5]。氣體傳感電路采用惠斯頓電橋測試電路，當空氣中有一定的可燃氣體時，探測元件因燃燒而電阻值上升，使得電橋失衡，輸出微小電壓差。模擬信號處理電路采用典型差分運算放大電路，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模擬電壓的采集范圍，以保證測量精度。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，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)的測溫元件相比，它是一種體積小、適用電壓寬、與單片機接口簡單的數(shù)字化溫度傳感器。其精度高、測溫范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點非常適合本系統(tǒng)測量溫度的需求。
    燃氣監(jiān)測終端選用8位單片機STM8S103K3為核心控制器，在燃氣濃度數(shù)據(jù)的數(shù)字化和線性化處理工作中起重要作用。該款單片機具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)置10位ADC，可提供多路復用通道實現(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和數(shù)字信號還是搭載多種通信接口的外設，該款單片機都能滿足本系統(tǒng)的需求。而且該款單片機具有單線接口模塊和調(diào)試模塊，可以方便地進行在線編程和調(diào)試。
    無線發(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、多通道的高性能無線射頻收發(fā)芯片，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達500 kb/s，特別適合于433 MHz短距離通信設備的無線應用[6]。射頻芯片通過SPI接口與單片機相連， 其硬件連接圖如圖4所示。在SPI工作模式下，單片機為主機模式，射頻芯片為從機模式。

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

3  軟件設計
3.1燃氣監(jiān)測終端發(fā)送數(shù)據(jù)包格式
    燃氣監(jiān)測終端通過通信模塊定時主動上傳燃氣濃度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個終端有唯一的編號。終端周期性地向上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包共有6 B，分別標識終端編號、燃氣濃度ADC值、溫度值和校驗位，其格式定義如表1所示。上位機接收到數(shù)據(jù)包后，依字節(jié)解析出終端的編號并按公式轉(zhuǎn)換成對應的燃氣濃度和溫度數(shù)據(jù)。

3.2 燃氣監(jiān)測終端軟件設計
    燃氣監(jiān)測終端的軟件設計采用STM8S控制器的開發(fā)工具STVD編寫，編程語言為 C語言?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校正處理、狀態(tài)指示和報警、上傳數(shù)據(jù)等功能。
　 系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)時鐘和各模塊初始化，單片機定時采集信號處理電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換成ADC值。單片機采取對燃氣的ADC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，燃氣濃度突增時有遺漏報警的可能，因此單片機在每次采集時都判斷是否超到報警值來應對突發(fā)情況。最后讀取溫度數(shù)據(jù)，將采集到的燃氣濃度ADC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。軟件流程圖如圖6所示。

3.3 無線接收終端軟件設計
    無線接收終端的軟件運行在8051單片機上，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。軟件流程圖如圖7所示。

4 試驗結(jié)果及監(jiān)控平臺驗證
    試驗環(huán)境設定為甲烷-空氣混合氣體測試環(huán)境。將已調(diào)好零點的2臺燃氣監(jiān)測報警終端同時終端編號為0x01和0x02，將其放入甲烷氣體測試箱，接通電源后打開上位機監(jiān)控軟件。依次向氣體測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試箱體積的1‰，通過上位機監(jiān)控軟件可看到2個終端在不同甲烷濃度下的甲烷濃度和測試箱溫度[7]。試驗結(jié)果顯示2臺終端具有幾乎一致的結(jié)果曲線，這里僅給出一個終端的曲線圖，圖8所示為終端編號0x02的試驗結(jié)果曲線圖。測試時上位機監(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，燃氣監(jiān)測精度保持在4%以內(nèi)，報警點測量精度可控制到3%以內(nèi)，精度較高，滿足了應用的需求。
    上位機監(jiān)控軟件采用Visual Studio 2008作為開發(fā)工具。實現(xiàn)對各終端的氣體濃度和溫度的數(shù)據(jù)監(jiān)測、動態(tài)曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢和二級報警提示功能。同時可通過Excel表格數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)進行查詢、刪除、打印等操作。監(jiān)測報警界面使用C#編程實現(xiàn)，可以實時查看各終端的氣體濃度和溫度數(shù)據(jù)及動態(tài)曲線。
    本燃氣監(jiān)測與報警系統(tǒng)具有氣體濃度和溫度數(shù)據(jù)采集的雙重功能，采用短距離無線通信技術(shù)，又兼容有線通信應用，且有體積小、成本低、功耗低、安裝簡單的優(yōu)點，能夠適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境。上位機監(jiān)控軟件界面友好，功能模塊化，易于操作。該系統(tǒng)在有短距離無線通信需求和燃氣監(jiān)測和報警需求的應用領域有著十分獨特的優(yōu)勢。
參考文獻
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