基于低頻無線數(shù)傳模塊的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)

引言

近年來，隨著我國能源需求的急劇增長，煤炭石油化工等行業(yè)蓬勃發(fā)展。這些行業(yè)在源源不斷地為經(jīng)濟發(fā)展提供動力的同時，也帶來了一定的安全隱患，因有毒有害及易燃易爆氣體等引發(fā)的中毒、火災甚至爆炸等事故大幅增加。通過建立毒性及易燃氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測易燃易爆、有毒有害氣體的濃度，并通過多種方式及時報警，從而最大程度地降低人員和財產(chǎn)損失，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活保駕護航。

本文在總線型氣體檢測報警系統(tǒng)的基礎上，設計了一個面向安全生產(chǎn)的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的便攜式氣體檢測儀或基于有線的氣體檢測報警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用低頻無線傳輸方式，省去了開槽、布線等繁瑣步驟，具有安裝簡便、部署靈活、總體成本低、傳輸距離遠等突出優(yōu)點，特別適用于不宜布線或危險的場所。

1系統(tǒng)總體設計

氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能是：各無線節(jié)點采集周圍環(huán)境內(nèi)的氣體濃度，節(jié)點濃度的超限報警，控制器實時顯示各節(jié)點氣體濃度和報警信息，控制器根據(jù)監(jiān)測情況自動開啟或關閉執(zhí)行機構（如風機等），遠程監(jiān)控中心實時顯示氣體濃度和報警信息。此外，還要求系統(tǒng)具有較強的無線傳輸能力，能夠繞開或穿透障礙物（如樓板或圍墻）繼續(xù)進行穩(wěn)定傳輸。

根據(jù)上述功能需求，本文設計了一個基于無線傳輸方式的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)。其總體結構如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由一個遠程監(jiān)控中心、一個現(xiàn)場控制器和多個氣體檢測節(jié)點組成?，F(xiàn)場控制器處于整個系統(tǒng)的核心位置,主要負責向各個氣體檢測節(jié)點發(fā)送輪詢指令、接收節(jié)點返回的檢測數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行分析判斷、產(chǎn)生報警事件、控制風機等執(zhí)行機構。氣體檢測節(jié)點主要負責采集節(jié)點周圍的氣體濃度并上報至控制器。遠程監(jiān)控中心通常是一臺工作站，主要負責接收來自控制器的氣體濃度數(shù)據(jù)和報警信息。其中，節(jié)點與控制器之間采用470MHz低頻無線傳輸方式，控制器與監(jiān)控中心之間則采用GPRS傳輸方式。

由于ZigBee存在與Wi-Fi、藍牙的同頻干擾問題，以及2.4GHz穿透性和靈敏度較差，傳輸距離不盡人意，因此，本文采用了低頻ISM頻段的無線自組網(wǎng)技術。目前,普遍采用的低頻段包括915MHz、868MHz、433MHz以及470~510MHz頻段。與ZigBee相比，低頻段組網(wǎng)除穿透能力強以外，還具有距離優(yōu)勢。有研究顯示，在433MHz和470~510MHz頻段下其傳輸距離是ZigBee的5倍。另外,由于本文所述系統(tǒng)是基于已有的總線型氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)，為簡便起見，舍棄其低頻組網(wǎng)功能，僅利用了無線模塊的透明傳輸功能，實現(xiàn)節(jié)點與控制器之間的輪詢和應答。

圖1氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構

2采集節(jié)點

2.1硬件結構

采集節(jié)點是構成氣體監(jiān)測系統(tǒng)的基本單元。每個采集節(jié)點主要由微處理器模塊、電源模塊、傳感模塊、節(jié)點地址模塊、聲光報警模塊、無線傳輸模塊等組成。作為一項可選功能，還可根據(jù)用戶的需求增加一個基于液晶或LED數(shù)碼管的本地顯示模塊，用于即時顯示節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。采集節(jié)點的硬件結構如圖2所示。

本設計中采用成熟穩(wěn)定的宏晶STC12LE5404AD單片機作為節(jié)點的微處理器芯片。為簡便起見，采用8位撥片開關作為節(jié)點地址模塊，通過不同位序的開關組合來確定相應采集節(jié)點在RS485通訊中的硬件訪問地址，并確保各節(jié)點地址在整個系統(tǒng)中的唯一性。聲光報警模塊在單片機的控制下，可根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)情況進行閃爍燈光并發(fā)出間歇的蜂鳴音，提示用戶及時處理險情。無線傳輸模塊將控制器下發(fā)的輪詢指令通過RS485通訊的形式提交給單片機，單片機分析指令數(shù)據(jù)，并將傳感模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊上報至控制器。至此，便完成了一次數(shù)據(jù)采集。

在實際應用中，還需要考慮采集節(jié)點的防爆問題。因此,本設計采用定制的鋁質殼體對節(jié)點的電路板和內(nèi)部元件進行了封裝，對傳感器探頭也進行了相應的處理，以達到安全防爆、安裝牢固、運行穩(wěn)定的目的。在最新的改進型節(jié)點中，傳感器模塊采用了熱插拔的形式，大大方便了用戶更換傳感器的工作,操作過程更加簡單。

2.2下位機程序

下位機程序是在單片機微處理芯片內(nèi)運行的調度程序,通常使用匯編語言或C語言編寫。STC12LE5404AD是一款典型的51系列單片機，而基于C語言在KeiluVision3開發(fā)環(huán)境下編寫的采集節(jié)點的下位機程序，則主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取、收發(fā)、顯示和報警等功能。此外，為了實現(xiàn)和上位機的通訊，本設計還設計了一套基于RS485的通訊協(xié)議?？刂破骱筒杉?jié)點必須完全按照該協(xié)議規(guī)定的格式和速率(波特率)進行通訊，才能實現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)采集。具體的下位機程序及通訊協(xié)議內(nèi)容，因篇幅所限在此不再贅述。

3控制器系統(tǒng)設計

3.1京更件組成

氣體濃度監(jiān)測的現(xiàn)場控制器主要由人機交互與數(shù)據(jù)處理模塊、低頻通信模塊、GPRS通信模塊、多路繼電器模塊、聲光報警模塊和電源模塊等組成。其中，人機交互與數(shù)據(jù)處理模塊是控制器的核心內(nèi)容?？刂破飨到y(tǒng)的硬件組成及相互關系如圖3所示。

本設計采用昆侖通態(tài)生產(chǎn)的TPC7062K嵌入式一體化工控觸摸屏作為人機交互界面。該產(chǎn)品基于一顆主頻速度為400MHz的嵌入式低功耗ARMCPU，并采用了7in高亮度TFT液晶顯示屏和四線電阻式觸摸屏，能夠很好地完成人機交互與數(shù)據(jù)處理任務。TPC7062K通過RS485與低頻無線模塊通信，實現(xiàn)輪詢指令的下發(fā)和節(jié)點數(shù)據(jù)的接收；同時將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)至GPRS模塊，繼而遠傳至監(jiān)控中心的工作站。此外，TPC7062K還可控制聲光報警和繼電器模塊，分別實現(xiàn)超限報警和啟停相關執(zhí)行機構(如風機)的功能。

為了給控制器系統(tǒng)提供合適的電源，設計采用了220V轉24V的電壓轉換器。用戶使用控制器時只需接入市電即可。另外，本設計還為控制器配置了一套24V的備用電池。在市電接入時，控制器自動切換到市電供電模式，并開始給電池充電。若遇到市電停電，控制器將自動切換到電池供電模式，并仍能正常工作3~6h，從而保障了氣體監(jiān)測的連續(xù)性。圖4所示是現(xiàn)場控制器的實體圖。

圖4現(xiàn)場控制器樣機

3.2上位機程序

上位機程序基于MCGS組態(tài)軟件開發(fā)，運行于TPC7062K，它是控制器系統(tǒng)的靈魂所在，決定了整個系統(tǒng)的使用價值。圖5所示是本系統(tǒng)上位機的系統(tǒng)主界面圖。

目前，我國已經(jīng)制訂了關于氣體監(jiān)測報警領域的相關國家標準，如GB16808—1997《可燃氣體報警控制器技術要求》、GB12358—90《作業(yè)環(huán)境氣體檢測報警儀通用技術要求》、GB50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》等。這些標準詳細規(guī)定了毒性及可燃氣體報警器報警設置的要求和規(guī)程。本文所述的氣體濃度監(jiān)測報警上位機程序就是依據(jù)這些標準而開發(fā)的，完全符合國家標準規(guī)定的各項要求。其功能要點主要包括：

實時顯示

上位機系統(tǒng)的主界面大體上分為三個區(qū)域：報警顯示區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和用戶控制區(qū)。各節(jié)點的數(shù)據(jù)位于數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)。每個節(jié)點分別顯示相應的節(jié)點號、當前濃度數(shù)值、節(jié)點通訊狀態(tài)、監(jiān)測氣體類型和氣體濃度單位。默認情況下，系統(tǒng)將每隔200ms的時間依次輪詢各個采集節(jié)點，并將節(jié)點返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)即時刷新和顯示。

⑵報警鎖定

氣體濃度報警值分為低報濃度值和高報濃度值。當監(jiān)測到的氣體濃度達到或超過低報濃度值時，將觸發(fā)低限報警；達到或超過高報濃度值時，將觸發(fā)高限報警。一旦觸發(fā)報警，監(jiān)測數(shù)字將顯示為深紅色，并閃爍跳動；界面上方的報警顯示區(qū)將循環(huán)滾動顯示當前的報警節(jié)點號和報警類型；控制器上的聲光喇叭將不停閃爍并發(fā)出報警聲。此外，發(fā)生報警后，報警探頭的濃度數(shù)值將被鎖定，即只能上不能下，直至節(jié)點復位。

故障區(qū)分

在實際應用中，采集節(jié)點可能會發(fā)生短路或開路故障，或者被拿走進行檢修。在此種情況下，系統(tǒng)將自動加以區(qū)分。對于短路和開路故障，系統(tǒng)分別將相應的節(jié)點號標記為不同的顏色并跳動閃爍，提示用戶節(jié)點出現(xiàn)的具體故障。某節(jié)點被關閉電源取走以后，相應節(jié)點號將顯示為屏蔽狀態(tài)，同時該節(jié)點的通訊狀態(tài)將顯示為斷開。

探頭復位

當有節(jié)點的數(shù)據(jù)超過報警限值時，系統(tǒng)將自動鎖定相應節(jié)點，直到用戶確認排除險情并手動進行復位操作。通過進行復位，系統(tǒng)將把所有被鎖定的節(jié)點解鎖，當前數(shù)據(jù)即刻顯示為實際數(shù)值，同時也進行了消聲處理。

事件日志

對于氣體監(jiān)測過程中所發(fā)生的報警或故障等事件，系統(tǒng)將自動進行保存。存儲的內(nèi)容包括事件發(fā)生的對象、發(fā)生的時間、事件的類型、事件發(fā)生時的有關數(shù)據(jù)以及用戶對事件的處理情況等。

設備控制

用戶可對與控制器連接的電磁閥和風機等外部設備進行啟停控制。外部設備與控制器采用有線連接的方式。

系統(tǒng)設置

由用戶對系統(tǒng)運行所需的各項參數(shù)進行設置，主要包括節(jié)點數(shù)量、輪詢周期、低報限值、高報限值、預熱時長、氣體類型、濃度單位等。這些參數(shù)一經(jīng)設置即會保存，用戶只需設置一次。系統(tǒng)設置后將即時生效。

4結語

本系統(tǒng)研制完成后在某燃氣公司進行了應用。系統(tǒng)上電后，各路探頭首先進行了為時2min的預熱自檢，自檢結束后控制器立即收到了第1路數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心工作站的界面上也能夠同步顯示各路數(shù)據(jù)。在輪詢間隔設置為500ms的情況下，控制器屏幕上的數(shù)據(jù)刷新非?？欤O(jiān)測的實時性很好。從總體 來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項性能指標均達到了系統(tǒng)設計的要 求，尤其是在節(jié)點分布較多的情況下，顯著減輕了節(jié)點安裝部 署的工作量。當然，本系統(tǒng)仍然存在一些需要繼續(xù)改進的地方, 如節(jié)點供電問題、低能耗問題、探頭標定問題、通信干擾問題、 GPRS信號問題等。今后，還應根據(jù)實際應用中出現(xiàn)的新情況 對本系統(tǒng)進行不斷的改進和完善，使之最大程度地貼近用戶 需求，滿足安全生產(chǎn)的實際需要。

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