陸鑫濤，陶洪峰，楊慧中，陳 剛

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122)

0 引言

由管道事故引起的燃?xì)庑孤?huì)帶來(lái)中毒、火災(zāi)甚至是爆炸等嚴(yán)重后果[1]。傳統(tǒng)的依靠人力來(lái)進(jìn)行巡檢的方式存在著嚴(yán)重的滯后性。因此，燃?xì)饩锌扇細(xì)怏w泄漏量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)確保井中燃?xì)夤艿赖陌踩兄匾膶?shí)際意義。

B.Yang[2]等通過(guò)嵌入式，信號(hào)處理等技術(shù)設(shè)計(jì)出了可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)系統(tǒng)。夏睿[3]等為了防止由燃?xì)庑孤?lái)的公寓建筑破壞以及人員傷亡，設(shè)計(jì)了基于WirelessHART的可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)裝置。馬為紅[4]等利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了面向大規(guī)模、多區(qū)域的可燃?xì)怏w遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警。由于這些設(shè)計(jì)只能在特定環(huán)境中使用，無(wú)法滿足在類似于燃?xì)饩@種內(nèi)部空間狹小、無(wú)電源、環(huán)境復(fù)雜多變的場(chǎng)景監(jiān)測(cè)要求。近幾年出現(xiàn)的NB-IoT技術(shù)[5-6]剛好可以解決這一問(wèn)題。NB-IoT具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢(shì)，適合于低頻、小數(shù)據(jù)包，并且對(duì)覆蓋范圍要求比較高的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。此外，由于井中的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，溫濕度變化對(duì)可燃?xì)怏w傳感器會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以利用可檢測(cè)的環(huán)境因子對(duì)可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償校正，使傳感器具有更高的測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)總體組成

該系統(tǒng)由3層組成，分別為:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層以及應(yīng)用層。具備采集端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)命令下發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)饩锌扇細(xì)怏w濃度以及井蓋狀態(tài)的分布式監(jiān)控和集中管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

第一層為數(shù)據(jù)采集層。在不同的燃?xì)饩蟹謩e部署。主要包括了傳感器模塊(包括可燃?xì)怏w傳感器以及溫濕度傳感器)、微控制單元(microcontroller unit，MCU)和NB模塊等。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)采集燃?xì)饩械膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采集完成后，通過(guò)NB模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層。

第二層為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層包括核心網(wǎng)、通信基站以及云平臺(tái)等。NB模塊通過(guò)核心網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到附近的接收基站，基站再通過(guò)CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)[7-8]。云平臺(tái)將所有接收到的數(shù)據(jù)集中到一起，并且封裝出一系列功能豐富的API接口，以便應(yīng)用層可以通過(guò)這些API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)命令下發(fā)、設(shè)備管理，獲取設(shè)備歷史數(shù)據(jù)等功能。

第三層為應(yīng)用層。應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)交互端組成，人機(jī)交互端又分為前端和后端。開(kāi)發(fā)者可以在后端通過(guò)HTTPS協(xié)議調(diào)用云平臺(tái)提供的API接口，也可以通過(guò)前端來(lái)向終端設(shè)備發(fā)送命令，或者是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的綁定與刪除等。

3個(gè)不同的層次相互配合，由數(shù)據(jù)采集層到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)饩畠?nèi)狀況的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，從應(yīng)用層到數(shù)據(jù)采集層的指令下發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為4部分：微控制器模塊設(shè)計(jì)、NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)、傳感器模塊調(diào)理電路設(shè)計(jì)以及終端電池選型。

2.1 微控制器模塊設(shè)計(jì)

微控制器模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主要包含了NB模塊、傳感器模塊、MCU等。利用溫濕度傳感器DHT11、催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器MC114C、行程開(kāi)關(guān)等，分別獲取燃?xì)饩畠?nèi)的溫濕度、可燃?xì)怏w含量以及井蓋的狀態(tài)。MCU是整個(gè)微控制器模塊的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及與NB-IoT模塊的通信。系統(tǒng)選用STM32L452CE為主控芯片。L系列芯片有低功耗特點(diǎn)，其內(nèi)部核心為基于超低功耗的ARM Cortex-M4 CPU，能夠最大程度減少功率損耗[9-10]。MCU主要用于完成溫濕度、可燃?xì)怏w濃度、行程開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集和處理，并將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)按照特定格式存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)模塊，再通過(guò)NB模塊將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，發(fā)送完成后進(jìn)入低功耗模式，通過(guò)內(nèi)部鬧鐘喚醒來(lái)達(dá)到定時(shí)上報(bào)的功能。

MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB模塊后，NB模塊創(chuàng)建終端和基站之間的傳輸通道上傳數(shù)據(jù)。同時(shí)也具有監(jiān)聽(tīng)平臺(tái)下發(fā)命令的功能，當(dāng)終端收到來(lái)自平臺(tái)下發(fā)的指令時(shí)，可及時(shí)對(duì)該指令作出響應(yīng)。

MC114C可燃?xì)怏w傳感器輸出微小電信號(hào)后首先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成MCU可以處理的數(shù)字信號(hào)；DHT11溫濕度傳感器采用單總線通信的方式與MCU的GPIO口相連；行程開(kāi)關(guān)是一組常閉開(kāi)關(guān)，直接連接MCU的GPIO口。MCU與NB模塊之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，模組接收到MCU通過(guò)串口上報(bào)的數(shù)據(jù)后,將payload自動(dòng)封裝為CoAP協(xié)議的消息，經(jīng)由基站發(fā)送給IoT云平臺(tái)。

2.2 NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)

NB-IoT通信模塊進(jìn)行終端與云平臺(tái)之間的信息交互。通過(guò)MCU中所編寫的指令程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)NB模塊的操控，MCU與NB模組之間通過(guò)串口通信，將處理完成后的數(shù)據(jù)按照指定格式存儲(chǔ)后經(jīng)NB模塊上傳至云平臺(tái)。

BC95-B5是NB-IoT的一款高性能、低功耗的無(wú)線通信模組。本設(shè)計(jì)選用BC95-B5作為NB通信模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令來(lái)完成設(shè)備入網(wǎng)。例如AT+CFUN=1可以完成射頻的開(kāi)啟，AT+CGATT=1可以完成設(shè)備的入網(wǎng)，AT+CGATT？可以詢問(wèn)是否已經(jīng)完成入網(wǎng)等。

2.3 傳感器模塊調(diào)理電路設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w傳感器的主要類型有半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、紅外氣體傳感器、光電離型氣體傳感器等。根據(jù)實(shí)際需要(考慮耗電量，成本等因素)，本設(shè)計(jì)選用MC114C催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器,該傳感器對(duì)甲烷以及多種可燃?xì)怏w都有較高選擇性和靈敏度,一定體積分?jǐn)?shù)的可燃?xì)怏w會(huì)在催化劑的作用下與空氣中的O2接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)溫度升高從而導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電阻增大。該傳感器的測(cè)量范圍為0～100%LEL，滿足燃?xì)饩畠?nèi)可燃?xì)怏w泄漏量檢測(cè)需要的測(cè)量范圍。

MC114C可燃?xì)怏w傳感器的額定工作電壓為2.5 V，輸出信號(hào)范圍為0～120 mV。為了提高傳感器檢測(cè)精度并滿足電源供電要求，專門為該傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)理電路，用于對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)整供電電壓。傳感器模塊調(diào)理電路如圖3所示。

電源電壓由VCC口接入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定至2.5 V后給傳感器提供額定電壓。MC114C可燃?xì)怏w傳感器作為電橋電路的一個(gè)臂，另外一個(gè)臂由電阻R1，R2以及電位器RP1組成，RP1起調(diào)節(jié)零點(diǎn)作用?？扇?xì)怏w濃度發(fā)生變化后，傳感器內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電阻值變化，從而改變電橋電路的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)由AD623芯片放大后經(jīng)OUT口發(fā)送到MCU的ADC采集端。

AD623放大倍數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：Vo為芯片輸出電壓，V；RP2為可調(diào)電阻，Ω；Vc為輸入電壓，V。

ADC口的輸入電壓范圍為0～3.3 V，選取RP2為5 kΩ，放大倍數(shù)為21倍，可燃?xì)怏w傳感器輸出信號(hào)范圍擴(kuò)大至0～2.52 V，滿足ADC口輸入電壓范圍并且使其采集到的數(shù)字量變化能更好地反映出井內(nèi)可燃?xì)怏w濃度變化。穩(wěn)壓芯片選用HT7125-1，該芯片的特點(diǎn)是低功耗，低成本，穩(wěn)壓精度高。

2.4 終端電池選型

通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到數(shù)據(jù)采集終端每次的采集和發(fā)送過(guò)程持續(xù)時(shí)間大概在20 s左右。通過(guò)在微系統(tǒng)中串入電流表來(lái)獲取終端工作電流，前5 s平均電流大概在330 mA左右，后15 s的平均工作電流大概為75 mA，休眠時(shí)工作電流在75 μA左右。

系統(tǒng)工作時(shí)的功耗計(jì)算如式(2)所示。運(yùn)行時(shí)間為20 s，休眠時(shí)間設(shè)定為10 min，一次運(yùn)行周期為620 s，一天的運(yùn)行次數(shù)為140次左右，總運(yùn)行天數(shù)按照項(xiàng)目需求設(shè)為2 a(730 d)。

Ww=UIwT=3.6×(0.33×5÷3600+0.075×
15÷3600)×140×730=283.605

(2)

式中：Ww為工作時(shí)的總功耗，W；U為電池額定電壓，V；Iw為工作時(shí)微系統(tǒng)中的電流，A；T為運(yùn)行的總時(shí)間，h。

休眠時(shí)的功耗計(jì)算與工作時(shí)功耗計(jì)算公式類似，計(jì)算值為9.199 8 W。

總功耗計(jì)算如式(3)所示：

Ws=Ww+WD=292.804 8

(3)

式中：Ws為電池總功耗，W；WD為休眠時(shí)的總功耗，W。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，電池深度放電系數(shù)α為80%[12]。

(4)

式中：Wr為實(shí)際消耗的總功耗，W；α為電池深度放電系數(shù)。

因此本系統(tǒng)選用4節(jié)3.6 V 35 A·h的ER341245鋰亞柱式電池并聯(lián)組成電源模塊，該電源模塊能承受的最大功耗大約為504 W，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖如圖4所示。

程序開(kāi)始運(yùn)行以后首先要進(jìn)行的是GPIO、USART等外設(shè)的初始化工作，然后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集，采集完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的濾波以及補(bǔ)償處理，再按照一定格式存儲(chǔ)到單片機(jī)中。然后NB模組入網(wǎng)，進(jìn)行CDP(continuous data protection)服務(wù)器的配置，以及打開(kāi)射頻、網(wǎng)絡(luò)附著等入網(wǎng)操作。入網(wǎng)成功之后首先要判斷當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量如何，如果網(wǎng)絡(luò)好，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送完成后獲取當(dāng)前時(shí)間并切斷處于工作狀態(tài)模塊的供電，以防產(chǎn)生多余的功耗，MCU則進(jìn)入休眠模式等待下一次鬧鐘喚醒；通過(guò)AT指令判斷網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，若網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好就跳過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)的步驟，并進(jìn)行相同的操作。網(wǎng)絡(luò)不好會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集終端一直處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，但是數(shù)據(jù)又無(wú)法被接收，從而導(dǎo)致電池電量產(chǎn)生無(wú)意義的浪費(fèi)。因此，出于設(shè)備低功耗考慮，網(wǎng)絡(luò)不好的時(shí)候就跳過(guò)這一次數(shù)據(jù)采集，等待下一次喚醒。

設(shè)備入網(wǎng)主要是依靠幾條簡(jiǎn)單的AT指令來(lái)完成。首先第一條發(fā)送的指令是AT+NCDP，該命令用于配置模塊CDP服務(wù)器，即為IoT云平臺(tái)的IP地址和CoAP端口號(hào)。接著用AT+CFUN來(lái)打開(kāi)射頻功能。AT+NNMI和AT+NSMI分別為開(kāi)啟兩個(gè)通知，前者是開(kāi)啟發(fā)送數(shù)據(jù)通知，如果終端向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)則PC端的串口調(diào)試助手會(huì)自動(dòng)返回+NSMI:SENT提示，通過(guò)該條命令可以知道自己發(fā)送的內(nèi)容從而對(duì)格式進(jìn)行微調(diào)，確保發(fā)送數(shù)據(jù)格式的正確性。后者是開(kāi)啟云平臺(tái)向終端發(fā)送信息的通知，如果云平臺(tái)向終端發(fā)送數(shù)據(jù)，串口會(huì)收到一條新通知，通過(guò)此通知來(lái)獲取平臺(tái)下發(fā)命令。AT+CGATT=1是激活通信模塊的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榧せ罹W(wǎng)絡(luò)有延時(shí)，因此在發(fā)送激活網(wǎng)絡(luò)指令之后要再發(fā)送一條AT+CGATT?來(lái)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是否已經(jīng)激活成功。最后通過(guò)AT+NUESTATS？來(lái)查詢當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，如果信號(hào)沒(méi)問(wèn)題，則入網(wǎng)成功可以進(jìn)行下一步操作。

4 傳感器的檢測(cè)補(bǔ)償

4.1 溫濕度對(duì)傳感器檢測(cè)的影響

傳感器調(diào)理電路的輸出電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與被測(cè)物理量之間具有線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)以25 ℃，濕度60%作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，將MC114C可燃?xì)怏w傳感器與經(jīng)過(guò)標(biāo)定的JXM-LEL傳感器同時(shí)置于密閉容器中，并通入一定濃度的可燃?xì)怏w，通過(guò)串口調(diào)試助手同時(shí)記錄未標(biāo)定MC114C傳感器所采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)以及JXM-LEL所采集到的氣體濃度值，以JXM-LEL傳感器的測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)值。

在溫度25 ℃，濕度60%的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下采集一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸擬合，由圖5可知，數(shù)字量數(shù)據(jù)與氣體濃度值呈線性關(guān)系，補(bǔ)償模型如式(5)所示，擬合優(yōu)度R2=0.996 9。

(5)

式中：L為井中可燃?xì)怏w濃度，%；Dr為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可燃?xì)怏w濃度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

溫濕度變化對(duì)傳感器靈敏度都會(huì)有不同程度的影響。將傳感器放入不同溫濕度條件下的1%濃度甲烷標(biāo)氣中進(jìn)行實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中標(biāo)準(zhǔn)值為在溫度25 ℃，濕度60%環(huán)境下對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

表1 不同溫濕度下數(shù)字量測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差

由表1可知，在偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度環(huán)境下，傳感器的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大，因此，對(duì)傳感器做溫濕度補(bǔ)償是很有必要的。

4.2 溫濕度補(bǔ)償算法

對(duì)于選用的MC114C可燃?xì)怏w傳感器，其不同溫濕度下的輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的輸出信號(hào)比值呈一定的曲線關(guān)系，所以需要將檢測(cè)到的溫濕度用于對(duì)可燃?xì)怏w傳感器測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)償校正。本文將可燃?xì)怏w傳感器置于不同溫度和濕度的環(huán)境中，并通入百分之一濃度的甲烷標(biāo)氣，待氣體濃度穩(wěn)定后，通過(guò)串口調(diào)試助手記錄傳感器采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)，求出實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)字量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下所采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)之間的比值。在溫度范圍為10～45 ℃，濕度范圍為5%～90%的環(huán)境下，采集數(shù)據(jù)共50組。

由于數(shù)字量比值同時(shí)受到溫度和濕度兩者的影響，所以要進(jìn)行二元函數(shù)的擬合。本文構(gòu)建了一個(gè)MC114C可燃?xì)怏w傳感器的溫濕度補(bǔ)償項(xiàng)如式(6)所示，只要求出式(6)中a～f各個(gè)常數(shù)項(xiàng)，就可以得到溫濕度與數(shù)字量比值之間的輸入輸出關(guān)系。

(6)

式中：a～f為常數(shù)項(xiàng)；ε為隨機(jī)誤差項(xiàng)；Dc為不同溫濕度環(huán)境下所采集到的數(shù)字量；Dr為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下氣體濃度對(duì)應(yīng)的的數(shù)字量；T為溫度，℃；H為濕度，%。

將實(shí)驗(yàn)得到的50組數(shù)據(jù)中溫度和濕度歸一化后與數(shù)字量比值代入式(6)，并采用最小二乘法求出常數(shù)項(xiàng)的估計(jì)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到a=-0.115 1，b=0.154 6，c=0.052 9，d=-0.104 6，e=-0.070 9，f=1.032 8。擬合度R2=0.955 3。最后將式(6)代入式(5)可得最終經(jīng)過(guò)溫濕度補(bǔ)償后的公式為

(7)

4.3 補(bǔ)償驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過(guò)將MC114C傳感器置于不同溫濕度條件下的1%濃度甲烷標(biāo)氣中進(jìn)行檢測(cè)，記錄應(yīng)用端軟件所顯示的各個(gè)終端的可燃?xì)怏w濃度值，作為當(dāng)前的測(cè)量值。

表2 傳感器精度測(cè)試結(jié)果

由表2可知，在不同溫濕度環(huán)境下，可燃?xì)怏w傳感器的測(cè)量值與真實(shí)值較為接近，平均測(cè)量誤差保持在±5%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)燃?xì)饩械目扇細(xì)怏w含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了基于NB-IoT技術(shù)的燃?xì)饩畬?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集層、人機(jī)交互監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等軟硬件開(kāi)發(fā)。考慮到燃?xì)饩袗毫拥倪\(yùn)行環(huán)境，根據(jù)溫濕度變化對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)擁有運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低、獲取數(shù)據(jù)便捷、建設(shè)成本合理等特點(diǎn)，可以為以后NB技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供參考。