甘 平， 徐子航， 胡國文， 岳紅林， 李奮展

(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引言

近年來，我國環(huán)境污染加劇，生態(tài)破壞嚴(yán)重，已經(jīng)在某種程度上嚴(yán)重阻礙了社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，并逐漸對人們的健康和安全造成威脅，其中由可燃性氣體爆炸所帶來的經(jīng)濟(jì)損失或者火災(zāi)安全日益受到人們的關(guān)注[1]?？扇夹詺怏w存在的環(huán)境也是多種多樣，其中非常典型的如沼氣池，煤礦的巷道，城市下水道中等，這些環(huán)境中經(jīng)常會因可燃性氣體大量囤積而發(fā)生爆炸的事故發(fā)生，這些事故直接影響著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，所以對可燃性氣體進(jìn)行實(shí)時檢測是十分必要的。GPRS的通信方式具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、成本相較低等特點(diǎn)，特別是可以充分利用中國移動或中國聯(lián)通的公網(wǎng)資源，無需對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，監(jiān)控管理中心主要負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以本課題的重點(diǎn)就是對現(xiàn)場檢測單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)一種以STM32處理器為硬件平臺，基于EM310 GPRS模塊的遠(yuǎn)程可燃性氣體檢測系統(tǒng)，重點(diǎn)就是圍繞可燃性氣體采集和傳輸開展研究，以GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可燃性氣體遠(yuǎn)程和實(shí)時檢測。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時檢測甲烷等可燃性氣體的功能，通過IP數(shù)據(jù)流方式傳送數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了對可燃性氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

目前，用于可燃性氣體檢測系統(tǒng)種類多樣，產(chǎn)品繁復(fù)，設(shè)計(jì)風(fēng)格和應(yīng)用原理都各不相同，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是大同小異[2]。圖1為遠(yuǎn)程可燃性氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)通常由現(xiàn)場檢測單元、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控管理中心組成?，F(xiàn)場檢測單元主要負(fù)責(zé)對對象進(jìn)行檢測，并采集、存儲相關(guān)的數(shù)據(jù);監(jiān)控管理中心負(fù)責(zé)將現(xiàn)場單元傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理和進(jìn)行其他操作;通信網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)前2個模塊間的數(shù)據(jù)和命令的傳輸[3]。

圖1 遠(yuǎn)程可燃性氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)硬件設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)對檢測節(jié)點(diǎn)的綜合管理，氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行分層控制;采用多種可燃性氣體檢測傳感器來實(shí)現(xiàn)對多種氣體成分的濃度監(jiān)測;對單一檢測節(jié)點(diǎn)需要檢測的某一種可燃性氣體成分進(jìn)行閾值設(shè)定，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)后發(fā)出報(bào)警信號;現(xiàn)場檢測單元能夠在如下水道等惡劣環(huán)境條件正常工作?，F(xiàn)場檢測單元具有操作簡單，便于維護(hù)的功能。

(2)軟件?；诰W(wǎng)絡(luò)互連的架構(gòu)，允許終端的遠(yuǎn)程登錄、訪問;監(jiān)控管理中心可以選擇節(jié)點(diǎn)通過GPRS傳輸數(shù)據(jù)采用的格式，短消息和IP等模式;統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理接口;功能設(shè)計(jì)盡可能的模塊化，便于驗(yàn)證功能、對系統(tǒng)升級;操作方便簡單[4-5]。

針對硬件和軟件兩方面的需求，本文提出現(xiàn)場檢測單元的總體框圖如圖2所示?，F(xiàn)場檢測單元由微處理器作為其控制模塊，同時包含了傳感器模塊、泵閥驅(qū)動、報(bào)警模塊、通信模塊、電源模塊和參數(shù)設(shè)置模塊等。

圖2 現(xiàn)場檢測單元組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本文采用STM32F103RET6芯片作為現(xiàn)場檢測單元的控制器[6-7]，STM32是ST公司推出的32位的基于ARM核心的微控制器，STM32F103R6T就是其中增強(qiáng)型的芯片，它采用了更高性能的Cortex-M3內(nèi)核，可以讓MCU實(shí)現(xiàn)更高的性能，更低的功耗和更多實(shí)時的應(yīng)用。應(yīng)用控制器的UART2實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊連接，應(yīng)用控制器的AD資源對傳感器輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)用IO口功能實(shí)現(xiàn)泵閥控制和報(bào)警功能，應(yīng)用UART3實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)現(xiàn)場參數(shù)配置(見圖3)。

圖3 現(xiàn)場檢測單元控制模塊電路

2.2 傳感器模塊

可燃性氣體傳感器是傳感器中的一種，它是用來檢測特定氣體成分，并將檢測的信號轉(zhuǎn)換成電阻、電流、電壓、電容等的器件[8]。由于需要檢測的氣體種類可能很多，性質(zhì)差異也可能較大，所以單一種類的氣體傳感器可能檢測不到所有的氣體成分，而是只能檢測其中某一類具有特定性質(zhì)的氣體。本文采用的是催化燃燒式氣體傳感器，當(dāng)氣體在催化層表面燃燒，使得鉑絲線圈溫度升高，線圈的電阻值上升，通過測量電阻值變化的大小就可以知道可燃?xì)怏w的濃度。

2.3 通信模塊

GPRS通信模塊是現(xiàn)場監(jiān)測單元的重要組成部分，它把GPRS和Internet連接起來，實(shí)現(xiàn)GPRS通信。在本設(shè)計(jì)中，采用華為公司的EM310模塊，它上面集成了有UART、SIM、USB和MIC等外設(shè)接口，其中通過UART與微處理器 STM32相連接的[9-10]。圖4為EM310 GPRS模塊的電路原理圖。

2.4 采樣氣路的設(shè)計(jì)

為了保證傳感器實(shí)施檢測時的準(zhǔn)確性，對氣體采集的氣路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。當(dāng)需要對氣體進(jìn)行檢測時，控制電磁閥，使得待測氣體通過，經(jīng)由真空泵抽取到傳感器處進(jìn)行檢測;當(dāng)不需要對氣體進(jìn)行檢測時，使得清潔空氣進(jìn)入傳感器，可以對傳感器進(jìn)行“清洗”，可避免傳感器與待測氣體的長期接觸，引起傳感器內(nèi)氣敏元件“中毒”等現(xiàn)象。在氣路選擇中使用了電磁閥和真空泵，因而對泵閥的驅(qū)動進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2，11]。圖5為采樣氣路原理圖。

圖4 EM310電路原理圖

圖5 采樣氣路框圖

圖6 主程序流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

在完成現(xiàn)場檢測單元的硬件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，系統(tǒng)開始工作時首先進(jìn)行初始化等準(zhǔn)備工作，然后自發(fā)自收短消息進(jìn)行現(xiàn)場檢測單元校時;其次，接收授權(quán)手機(jī)發(fā)送的短消息命令，進(jìn)行定時或隨機(jī)采樣，將采樣的結(jié)果保存并以IP的方式發(fā)送到監(jiān)控管理中。當(dāng)氣體含量超過閾值時，啟動報(bào)警模塊，并向授權(quán)手機(jī)發(fā)送報(bào)警短消息[12-13]。

4 測試結(jié)果與分析

在系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)完成后，本文針對該系統(tǒng)的每個硬件都做了逐一的調(diào)試工作，正確地實(shí)現(xiàn)了對傳感器輸出信號采樣，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;實(shí)現(xiàn)了對電磁閥和真空泵的控制，可以選擇不同氣路;實(shí)現(xiàn)了報(bào)警模塊功能;電源模塊可以為檢測系統(tǒng)提供3.3、5.0和12.0 V 的工作電壓等[14]。

在對系統(tǒng)硬件進(jìn)行驗(yàn)證后，結(jié)合相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了GPRS短信的收發(fā)和IP方式數(shù)據(jù)的傳輸[15]。至此，基于GPRS的有害氣體檢測系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了以下的功能:能夠響應(yīng)授權(quán)用戶發(fā)送的短消息命令;在TCP/IP連接狀態(tài)下，監(jiān)控管理中心可以直接向現(xiàn)場檢測單元發(fā)送命令，現(xiàn)場檢測單元也可以直接向監(jiān)控管理中心發(fā)送數(shù)據(jù);定時采樣和隨機(jī)采樣，并把定時采樣的結(jié)果保存并上傳;采樣結(jié)果超標(biāo)后向監(jiān)控管理中心和授權(quán)用戶發(fā)送報(bào)警信息，并啟動現(xiàn)場檢測單元的報(bào)警裝置。

圖7表示GPRS模塊在Text模式下接收短消息，其中向GPRS模塊發(fā)送短消息的SIM卡號為“15823520614”，GPRS模塊上的 SIM 卡號為“13800230500”，發(fā)送的短信內(nèi)容是“FFEETESTEF”。

圖8為GPRS模塊以IP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將采集的數(shù)據(jù)傳到Internet的網(wǎng)絡(luò)后臺。

圖7 GPRS Text模式接收短消息1

圖8 GPRS基于IP方式的數(shù)據(jù)傳輸

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的可燃性氣體檢測系統(tǒng)利用催化燃燒式傳感器，高性能的32位STM32微處理器，以及GPRS無線模塊相結(jié)合，完成了對待測氣體進(jìn)行測量控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送、接收短消息命令和向授權(quán)手機(jī)發(fā)送報(bào)警消息等各項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。針對某種特定的可燃性氣體，在對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)后，即可進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，滿足現(xiàn)場使用的要求。

[1] 謝振輝，王秀芳，黃 燕，等.下水道爆炸事故的原因及對策[J].中國給排水，1997(13):44-45.

[2] 張 娜.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的下水道可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2006:20-25.

[3] 李健檳.城鎮(zhèn)下水道氣體檢測規(guī)范的研究[D].廣州:中山大學(xué)，2009.

[4] 劉殿素.城市下水道可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].重慶:重慶大學(xué)，2007.

[5] 徐 偉.污水排放實(shí)時智能化監(jiān)控儀研制[D].廣州:中山大學(xué)，2009.

[6] 李 寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[7] 李 輝.光纖傳感檢測算法在DSP平臺下的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué)，2010.

[8] 曲 波，肖圣兵，呂建平.工業(yè)常用傳感器選型指南[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002:101-110.

[9] 劉國錦.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].信息化研究，2010，36(2):1-3.

[10] 沈劍峰，丁金華，董 宇.基于STM32的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(6):76-78.

[11] 付淼鑫.危險(xiǎn)氣體泄漏檢測系統(tǒng)的研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[12] 王振起.基于單片機(jī)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[13] 賀 良.基于GSM段消息的無線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)[D].上海:上海海運(yùn)大學(xué)，2003.

[14] 方 麗.單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾常用方法實(shí)踐[J].氣象水文海洋儀器，2005(3):27-29.

[15] 王 騏.基于GSM短消息的溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2005:20-23.