基于DSP和無線傳輸技術的危化品實時監(jiān)測系統(tǒng)

 1引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體及液體的種類和應用范圍都得到了增加。在化工、石油、染料以及其他行業(yè)中就有許多有害物質(zhì)，如液化石油氣、氨、氯、硫化氫、二氧化硫及酒精等，如果在生產(chǎn)或運輸過程中由于操作失誤或其他原因，致使這些危險性物質(zhì)泄漏出來，由于氣體本身存在的擴散性，發(fā)生泄漏后，在外部風力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表擴散，在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險區(qū)。為了增強運輸安全性，同內(nèi)外對危險化學品運輸車輛實行監(jiān)管，主要針對車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)測。在圈外也有針對危險化學品運輸?shù)幕贕IS平臺的危險性評估研究，以此作為運輸路徑的選擇依據(jù)。目前，國內(nèi)中集集團應用的基于MEMS傳感器的集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)很好地監(jiān)測了運輸過程中氣體濃度和溫濕度、罐內(nèi)危險化學品的壓力和液位、罐體的空間姿態(tài)和加速度以及閥件腔腔體的開合狀態(tài)等信息。為了進一步提高氣體濃度監(jiān)測的可靠性，設計采用雙傳感器相互監(jiān)測，以防因單傳感器失靈造成的誤報警，并且設計注重數(shù)據(jù)處理融合精度，從而加強報警準確性。因此設計首先確定了安裝位置，然后結合DSP和無線傳輸技術，增強數(shù)據(jù)處理能力以及傳輸?shù)募皶r性，對泄漏情況全面及時監(jiān)測。

2實驗測點分布概況

根據(jù)危險化學品常壓鐵路罐車罐體常見缺陷調(diào)查、常見泄漏事故調(diào)查以及有害氣體運輸過程中泄漏擴散的分析可得知：?；沸孤┒喟l(fā)原因主要有罐體焊縫撕裂、罐內(nèi)內(nèi)加強圈老化、罐體酸堿腐蝕造成的罐體漏洞等，并且在泄漏監(jiān)測范圍內(nèi)，泄漏擴散多以大于環(huán)境空氣密度的重氣擴散為主。由此可見，對于安裝點的位置的確定要既實現(xiàn)全方位監(jiān)測目的，又能對易發(fā)生泄漏點如罐體焊縫、閥門進行重點監(jiān)測，并且需要考慮到氣體密度、風向等因素。在列車行進過程中，由于風力作用，泄露氣體會隨風向方向擴散。又由于多數(shù)危險氣體密度大于空氣，即所謂的重氣，擴散時，會有向。

地表擴散的趨勢，因此可見圖1安裝點位置都位于罐尾下風處，并且在易泄漏點(罐體兩側焊縫和罐頂安全閥)下方，3個安裝點可以全面監(jiān)測整個罐體的泄漏情況。

圖1實驗測點分布示意圖

3系統(tǒng)總體設計

基于DSP的危險氣體泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)由從機與主機構成，如圖2所示。從機以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為核心，可完成對1個監(jiān)測報警點的兩路氣體濃度采集、一路環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集、采集后的數(shù)據(jù)處理、控制執(zhí)行結構、與主機通信等功能，自身構成一個閉環(huán)測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對所在安裝點區(qū)域的監(jiān)測。主機由PIC微處理芯片、液晶顯示、聲光報警、通信模塊組成的二次儀表機實現(xiàn)，主要負責與從機的數(shù)據(jù)通信、聲光報警、濃度顯示功能，以便操作人員對現(xiàn)場進行分析，根據(jù)分析結果采取有效措施，以防止可燃氣體的泄漏，杜絕事故隱患。

圖2監(jiān)測系統(tǒng)總體結構框圖

4硬件結構框圖

為快速準確地檢測出周圍氣體中酒精氣體的含量，并且在達到危險濃度時發(fā)m聲光報警，系統(tǒng)由6個方面組成：

(1)可燃氣體傳感器，可以通過可燃氣體傳感器感知周圍空氣中可燃氣體的濃度值，并將其轉(zhuǎn)換為電信號使電路能夠識別;

(2)溫度傳感器，可燃氣體傳感器受其工作環(huán)境中的溫度的影響比較大，故需要測得周圍環(huán)境中的溫度，進而對氣體傳感器測得的數(shù)據(jù)進行補償;

(3)供電電源保障系統(tǒng);

(4)計算顯示單元;

(5)聲光報警單元;

(6)友好的人機交互界面及通信接口。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構圖如圖3所示。

圖3泄漏監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構圖

5系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理方法

為便于編程和管理，軟件用C語言編寫，采用模塊化設計，程序以循環(huán)方式工作，完成初始化及子程序調(diào)用。軟件分為3個子系統(tǒng)：

(1)?；愤\輸設備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與存儲;

(2)數(shù)據(jù)處理;

(3)數(shù)據(jù)無線傳輸通信。

3個子系統(tǒng)相互關聯(lián)又相互獨立，協(xié)同完成狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)存儲及上傳到車載終端。

5.1數(shù)據(jù)采集

?；愤\輸設備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理是系統(tǒng)軟硬件設計的核心部分，主要完成各個傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)進行濾波、放大、整合處理后作為數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)源。正常數(shù)據(jù)每間隔10min向車載終端上傳一次，報警數(shù)據(jù)每間隔3s向車載終端上傳一次并且啟動聲光報警。

5.2數(shù)據(jù)處理

該設計采用兩個傳感器，首先計算互相關值，當相關值大于0.7時，認為兩個傳感器數(shù)據(jù)顯著相關;小于0.7時，再采樣10次，連續(xù)小于0.7進行傳感器故障報警，這樣可以起到互相監(jiān)督的作用，防止由于某一個傳感器故障引起系統(tǒng)失靈，根據(jù)表1的計算，為兩個傳感器在酒精濃度為1×104g/m下溫度變化范圍在15℃～l9℃的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器信號歸一化方法處理，由0～3.3V的測量范圍變?yōu)檩敵鼋橛赱0，1]之間)，數(shù)據(jù)互相關值為O.7058，經(jīng)證明顯著相關，可以用作下一步數(shù)據(jù)源。

表1兩個相同型號傳感器同一條件下測量值

設計中需要監(jiān)測的環(huán)境參量主要是溫度、危險氣體在空氣中的含量，由于氣體傳感器受到周圍環(huán)境中溫度變化的影響很顯著，故需要采用溫度補償，這是數(shù)據(jù)處理的關鍵點。

當干擾輸出和傳感器輸m之間的數(shù)學關系已知時，則干擾可以在測量干擾變量的幅度之后，通過數(shù)字計算進行補償。該設計采用這種補償方式，即擬合出氣傳感器與溫度變化而變化的曲線，列出相應的方程式，在得到氣體傳感器、溫度傳感器信號的情況下，通過方程計算，計算受溫度影響的量值進行補償。這樣設計的優(yōu)點是具有較大的靈活性或?qū)挿秶臄M合功能。根據(jù)得出的準確的溫度和濕度值帶入傳感器對于周圍溫度影響的特性曲線，得變化的傳感器數(shù)據(jù)，即電壓值，進而得出由于周圍環(huán)境溫度變化對于造成的影響進行補償。

文中應用最小二乘法做曲線擬合，最小二乘法可以用來處理一組數(shù)據(jù)，可以從一組測定的數(shù)據(jù)中尋求變量之間的依賴關系，這種函數(shù)關系稱為經(jīng)驗公式。在實驗中測得變量之間的n個數(shù)據(jù)(x1，y1)，(x2，y2)，……，(xn，yn)，在xoy平而上，這些數(shù)據(jù)點P(xi，yi)(i=l，2，……n)組成“散點圖”，從圖中可以粗略看出這些點大致散落在某直線近旁，認為x與Y之間近似為一線性函數(shù)。應用最小二乘法計算出溫濕度曲線與傳感器之問的函數(shù)關系。

表2連續(xù)溫度下氣體傳感器測量電壓值

將表2數(shù)據(jù)在Matlab中擬合后的曲線如圖4所示，得出曲線關系為y=0.020lx+0.2379.

經(jīng)過溫度補償?shù)臄?shù)據(jù)再利用多傳感器靜態(tài)時最優(yōu)權值分配原則做數(shù)據(jù)融合，即每個傳感器分配的權系數(shù)：

其中Ri為各傳感器精度的平方。設Zi(k)表示第i個傳感器第k次采樣的結果，則第次采樣時各傳感器測量的融合值：

此原則獲得的融合結果具有無偏性、有效性和一致性。

6結語

該?；愤\輸設備狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)?；沸孤┑娜嫣綔y及環(huán)境溫度等的檢測，通過實時數(shù)據(jù)處理、傳輸實現(xiàn)實時報警，運用技術手段實現(xiàn)了維護?；愤\輸傘程探測、監(jiān)測與跟蹤，從而減少和避免事故的發(fā)生，避免和降低事故危害，提高了?；愤\輸?shù)陌踩院涂煽啃?。該系統(tǒng)對于危化品的陸路運輸有很好的適用性，為工控現(xiàn)代化及現(xiàn)代化物流提供了一種安全的解決方案。