王金輝，周巧娣* ，徐勤利，，蔣科學(xué)，陳文華

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018;2.浙江清華長三角研究院，浙江 嘉興314006)

對于現(xiàn)代工業(yè)迅速崛起，氯氣的使用遍布化工，紡織，農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。無論是作為氯氣的生產(chǎn)廠家還是對于大規(guī)模的氯氣使用廠家，氯氣的運輸和存儲都是至關(guān)重要的。氯氣的大量外泄會導(dǎo)致無法估計的財力損失和威脅他人的人身安全，所以能夠及時的檢測氯氣的泄漏，做到現(xiàn)場報警避免工人接觸泄漏氣體而導(dǎo)致氣體中毒和遠程報警以達到廠家消除隱患是非常重要的。

對于氯氣泄漏的檢測，通常的方式是人為持有便攜式儀器到現(xiàn)場進行檢測，這樣既存在一定的危險性，也不能對氯氣進行全天候檢測。對于市場上已經(jīng)投入使用的便攜式氯氣檢測儀［1］，雖然攜帶方便，但是需要人力每天定時檢測，不能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測的效果。

本開題開發(fā)的基于太陽能充電的無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過太陽能給系統(tǒng)供電，并且實現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)場報警以及遠程監(jiān)控，對氯氣泄漏實現(xiàn)實時檢測，避免因為人為檢測時間差導(dǎo)致氯氣泄漏無法檢測所造成的危險事故。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該無線遠程檢測氯氣泄漏的系統(tǒng)，采用電化學(xué)傳感器［2］對泄漏氣體進行檢測獲取電流信號。系統(tǒng)設(shè)計首先將電流信號通過I/V 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過電壓放大電路放大輸入到微控制器MSP430 的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，經(jīng)MCU 處理分析后將信息通過無線模塊傳輸給遠程服務(wù)器端，同時啟動現(xiàn)場報警功能，實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程報警。考慮到檢測氯氣泄漏只是一種偶然事件，而不是一種實時大數(shù)據(jù)傳輸，所以系統(tǒng)中使用GSM 而不使用GPRS。

系統(tǒng)是通過太陽能電池板［3］和鋰電池［4］雙電源進行供電，白天太陽能電池板對電路供電的同時對鋰電池充電，夜間或者陰天則使用鋰電池對電路供電。由于采用MSP430 這一低功耗的微處理器，系統(tǒng)可以在沒有太陽能電池板供電的情況下使用鋰電池供電2 周時間，確保系統(tǒng)能夠正常運行，實現(xiàn)對氯氣泄漏進行全天實時監(jiān)測、現(xiàn)場以及遠程報警的功能。圖1 為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要包括系統(tǒng)電源電路、傳感器信號采集及調(diào)理電路、太陽能電池板充電電路、現(xiàn)場報警以及無線GSM 數(shù)據(jù)傳輸電路［5］。

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

該系統(tǒng)采用MSP430F149 微處理器［6］，16 bit 的RISC 結(jié)構(gòu)，片上資源包括16 kbyte 的FLASH和2 kbyte 的RAM 以及8 路12 bit 的200 kbit/s 的高速ADC 等，且有低功耗的優(yōu)點。

MSP430F149 單片機供電電壓是3.3 V，因此系統(tǒng)供電是由LM2576－5 V 經(jīng)過LM1117－3.3 V 轉(zhuǎn)換而來。鋰電池輸出電壓不能滿足LM2576－5 V 的輸入電壓范圍要求、太陽能電池的供電電壓受光照的影響較大及傳感器調(diào)理電路中需要12 V 對功放供電，因此采用了升壓芯片將鋰電池以及太陽能電池輸出的電壓進行升壓以滿足要求。由于信號采集電路中需要雙極性±12 V 的電壓，所以需要通過DCDC 芯片將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成±12 V。

2.2 傳感器信號采集及調(diào)理電路設(shè)計

本文選用三電極電化學(xué)式傳感器CL2－A1，該傳感器能夠在－20 ℃～50 ℃的環(huán)境下正常工作，靈敏度范圍是－350 nA/10－6～－650 nA/10－6，能夠有效響應(yīng)低濃度氯氣;響應(yīng)時間小于40 s，能夠快速地對氯氣泄漏做出響應(yīng)。

三電極工作體系［7］中，傳感器的工作電極W 是虛地，電壓信號施加在參比電極上，從而構(gòu)成相對于參比電極RF 的工作電極的電位變化。而電流則通過對電極C 形成回路。

對該傳感器輸出納安級的電流信號，電路中選用雙運放OPA2227 和AD711 來搭建恒電位儀，兩個芯片的供電電壓是±12 V。VAD 連接信號處理模塊的采集部分。AD711 主要實現(xiàn)的是I/V 轉(zhuǎn)換［8］，把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，以供ADC 采集處理。三電極的體系要求參比電極與工作電極的電位差嚴格的等于輸入的控制信號。由于參比電極上多少會有一定的內(nèi)阻，OPA2227 的一個運放接成電壓跟隨器，使之具有較高的輸入阻抗，從而保證電流不會流入?yún)⒈入姌O，導(dǎo)致電壓損耗和參比電極的鈍化。該設(shè)計電路電流檢測精度達到90%。

傳感器前置電路輸出的模擬信號一般要經(jīng)過濾波和放大才能進入A/D 進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這就需要在A/D 和傳感器前置電路之間有一個信號調(diào)理電路。系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路如圖2 所示。

圖2 傳感器信號調(diào)理電路

電路所選運放為TLC2274 的四運放軌到軌芯片，其主要特點是低噪聲，高增益帶寬積2.5 MHz，低輸入偏置電流，典型值1 pA 等，常用作模擬信號提取的前級線性放大。圖中R20和R24決定放大倍數(shù)，放大倍數(shù)與這兩個電阻的關(guān)系如式(1)所示:

式中n 代表放大倍數(shù)，通過調(diào)整R20和R24的值，調(diào)整信號的線性放大倍數(shù)。本次設(shè)計將信號線性放大2 倍。

2.3 太陽能電池板充電電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用太陽能電池板作為電源供電，太陽能電池板充電電路如圖3 所示。系統(tǒng)選用20 W 多晶硅電池板和充電鋰電池組LIR18650，由于太陽能電池板產(chǎn)生的電壓受光照影響較大，采用了鋰電池充電作為備用電源。本設(shè)計采用簡單充電電路設(shè)計，實現(xiàn)太陽能供電和充電，并實現(xiàn)沒有光照的情況下，由鋰電池供電。

圖3 太陽能電池板充電電路

太陽能電池板的輸出工作電壓為17.3 V(對12 V 系統(tǒng))，穩(wěn)壓芯片選擇LM2576－ADJ，因為它的輸入電壓范圍為7 V ～40 V 能夠滿足所選用的太陽能電池板輸出的電壓要求。另外GSM 模塊的供電以及鋰電池充電電壓都是需要紋波較小的4.2 V，選擇LM2576－ADJ 正好滿足要求，輸出電壓可以通過R3和R7進行調(diào)解滿足要求，除此之外設(shè)計中加D2二極管防止電流，避免了電流回流對LM2576－ADJ造成的不必要的損害。

2.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

無線數(shù)據(jù)傳輸報警是以發(fā)送短消息［9］的方式，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸給遠程控制端，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇法國的Q2403A［10］模塊，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 無線模塊連接圖

Q2403A 模塊是通過串口的形式［11］與MSP430進行連接。首先在模塊與控制器MSP430 進行連接時，模塊的TX 與RX 分別連接的是MSP430 的TX和RX 引腳，這與一般串口交叉連接的方式不一樣。其次電路設(shè)計時模塊的TX 和RX 引腳直接跟MSP430 連接，因為模塊數(shù)據(jù)的信號電平是TTL 電平而不是RS232 電平，這里不需要外加電平轉(zhuǎn)換芯片。Q2403A(工業(yè)級)的4 個引腳需要接地，否則信號不會通過天線發(fā)射出去。

考慮系統(tǒng)的可控性和可調(diào)試性的要求，采用MSP430 控制Q2403A 的RESET 引腳的方式，避免Q2403A 模塊的發(fā)送失敗。

2.5 現(xiàn)場報警電路設(shè)計

采用聲光報警器作為現(xiàn)場報警裝置，報警電路如圖5 所示。當檢測到現(xiàn)場氯氣泄漏時，報警功能啟動以避免工人接近泄漏區(qū)導(dǎo)致危險。系統(tǒng)中選用12V 供電報警裝置，通過開關(guān)量控制啟動報警裝置。

圖5 現(xiàn)場報警電路

當MSP430 引腳輸出為高電平時，三極管S8050導(dǎo)通，驅(qū)動光電耦合器TLP521 打開，后級NPN 型功率達林頓管TIP142 導(dǎo)通，執(zhí)行器接入供電電壓回路開始工作;當引腳輸出為低電平時，供電回路斷開，報警裝置停止工作，由于報警裝置具有電感特性，上電工作時會產(chǎn)生反電動勢，采用二極管IN4007 可以起到續(xù)流保護作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計主要由信號采集模塊程序和啟動報警程序以及無線數(shù)據(jù)傳輸程序。信號采集程序主要是通過實現(xiàn)MSP430 的ADC 功能模塊，報警以及數(shù)據(jù)無線傳輸主要是通過I/O 口控制和USART 數(shù)據(jù)傳輸給GSM，然后有其發(fā)送給遠程終端設(shè)備。

3.1 信號采集模塊程序設(shè)計

信號采集模塊程序是在IAR Embedded Workbench V6.0 開發(fā)環(huán)境下由C 語言開發(fā)的，其中包括ADC 模塊初始化，使能ADC 轉(zhuǎn)換功能，其中A/D 模塊的采樣頻率設(shè)置為1 Hz。

傳感器檢測到氯氣將會產(chǎn)生電流信號，經(jīng)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為電壓信號，MCU 將ADC 采集的數(shù)據(jù)處理后存儲到相應(yīng)數(shù)組并傳輸給GSM，由GSM 模塊傳輸?shù)浇K端檢測設(shè)備。為了使測量準確、穩(wěn)定，對被測量數(shù)據(jù)進行多次測量，這些測量值的誤差可以認為是隨機散布在被測量的周圍。因此，對被測量值進行多次疊加平均運算處理，就會消除或者減小隨機誤差。若進行m 次重復(fù)測量，擇測量值xi(i=1，2，…，m)的總體平均值為:

式中X 表示總體平均值;m 為重復(fù)測量次數(shù);xi為每次測量值。本次程序重復(fù)采集8 組數(shù)據(jù)進行疊加平均計算處理。如果沒有采集到相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換來的電壓信號，數(shù)組中的空置數(shù)據(jù)將不會發(fā)送出去。信號采集程序流程圖如圖6 所示。

圖6 信號采集程序流程圖

3.2 報警及無線數(shù)據(jù)傳輸程序

報警與無線數(shù)據(jù)傳輸程序開始是上電初始化，完成后進行通用I/O 的初始化，之后是串口通信初始化，GSM 模塊初始化，最后是相應(yīng)功能的實現(xiàn)。報警程序是通過MSP430 通過普通I/O 口發(fā)送高低電平來控制隔離芯片TLP521 開關(guān)報警裝置。當有傳感器信號時，就觸發(fā)MSP430 的P1.2 端口發(fā)送高電平，開啟報警器，實現(xiàn)現(xiàn)場報警的作用。

無線數(shù)據(jù)傳輸程序是當有傳感器信號之后，MSP430 的內(nèi)容ADC 會對信號進行采集處理，之后MSP430 會通過向GSM 模塊發(fā)送AT 指令［12］確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕说刂?數(shù)據(jù)接收地址)，格式如“AT+CMGS=+8613XXXXXXXXX”，當有＞_回顯時，填充相應(yīng)的短信內(nèi)容(報警信息和ADC 采集信號量)，以0x16 結(jié)束短信內(nèi)容，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程終端設(shè)備。在在未完成ADC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或者未處理完泄漏氣體之前，傳感器會持續(xù)發(fā)送檢測到的數(shù)據(jù)信息，信息最后發(fā)送的是電壓值，隨著氣體濃度的增加電壓會隨著變大，以實現(xiàn)信號量的大小來反映泄漏氣體量的多少。報警及無線數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖如圖7 所示。

圖7 報警及無線數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)放于通風處，分別通入不同濃度的氯氣標準氣體，儀器的測量數(shù)值會通過GSM 模塊發(fā)送到無線接收模塊。太陽能電池板和鋰電池作為系統(tǒng)供電電源，分別處于光照和黑暗條件下進行長時間的測試。鋰電池能夠充電，在黑暗情況下，系統(tǒng)可以正常運行。對于不同濃度氯氣的測試，系統(tǒng)會啟動報警裝置。

無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機。調(diào)試過程中將程序設(shè)定為每10 s 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，測試軟件橫坐標表示時間，縱坐標表示測得電壓值。

測量2 組不同濃度氯氣標準氣體，儀器的測量數(shù)值、相對誤差等結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果

從測量結(jié)果看出:實測數(shù)據(jù)的相對誤差在2%左右。

根據(jù)測量，經(jīng)過I/V 轉(zhuǎn)換電路電壓變化如圖8所示。

圖8 氯氣檢測電壓變化曲線

5 結(jié)論

由于使用超低功耗微控制器MSP430F149，可以有效的減小系統(tǒng)在夜間運行時的電能消耗。該系統(tǒng)遠程監(jiān)控避免了近距離定期現(xiàn)場檢測的危險性，具有一定的可行性。

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