基于GPRS的遠程可燃氣體檢測系統研究與設計

甘 平， 徐子航， 胡國文， 岳紅林， 李奮展

(重慶大學通信工程學院，重慶 400044)

0 引言

近年來，我國環境污染加劇，生態破壞嚴重，已經在某種程度上嚴重阻礙了社會經濟的迅速發展，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濟損失或者火災安全日益受到人們的關注[1]。可燃性氣體存在的環境也是多種多樣，其中非常典型的如沼氣池，煤礦的巷道，城市下水道中等，這些環境中經常會因可燃性氣體大量囤積而發生爆炸的事故發生，這些事故直接影響著人們的生命和財產安全，所以對可燃性氣體進行實時檢測是十分必要的。GPRS的通信方式具有數據傳輸速率高、成本相較低等特點，特別是可以充分利用中國移動或中國聯通的公網資源，無需對通信網絡進行設計，監控管理中心主要負責對采集的數據進行處理，所以本課題的重點就是對現場檢測單元進行設計。本文設計一種以STM32處理器為硬件平臺，基于EM310 GPRS模塊的遠程可燃性氣體檢測系統，重點就是圍繞可燃性氣體采集和傳輸開展研究，以GPRS網絡為基礎實現可燃性氣體遠程和實時檢測。測試結果表明，該系統具有實時檢測甲烷等可燃性氣體的功能，通過IP數據流方式傳送數據信息，實現了對可燃性氣體的遠程監控。

1 系統總體規劃

目前，用于可燃性氣體檢測系統種類多樣，產品繁復，設計風格和應用原理都各不相同，而系統結構還是大同小異[2]。圖1為遠程可燃性氣體檢測系統結構圖，從圖中可以看出，系統通常由現場檢測單元、通信網絡和監控管理中心組成。現場檢測單元主要負責對對象進行檢測，并采集、存儲相關的數據;監控管理中心負責將現場單元傳來的數據進行匯總、處理和進行其他操作;通信網絡主要負責前2個模塊間的數據和命令的傳輸[3]。

圖1 遠程可燃性氣體檢測系統結構圖

(1)硬件設計。為了實現對檢測節點的綜合管理，氣體檢測系統應該進行分層控制;采用多種可燃性氣體檢測傳感器來實現對多種氣體成分的濃度監測;對單一檢測節點需要檢測的某一種可燃性氣體成分進行閾值設定，發現超標后發出報警信號;現場檢測單元能夠在如下水道等惡劣環境條件正常工作。現場檢測單元具有操作簡單，便于維護的功能。

(2)軟件。基于網絡互連的架構，允許終端的遠程登錄、訪問;監控管理中心可以選擇節點通過GPRS傳輸數據采用的格式，短消息和IP等模式;統一的數據管理接口;功能設計盡可能的模塊化，便于驗證功能、對系統升級;操作方便簡單[4-5]。

針對硬件和軟件兩方面的需求，本文提出現場檢測單元的總體框圖如圖2所示。現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、泵閥驅動、報警模塊、通信模塊、電源模塊和參數設置模塊等。

圖2 現場檢測單元組成框圖

2 硬件設計

2.1 控制模塊

本文采用STM32F103RET6芯片作為現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就是其中增強型的芯片，它采用了更高性能的Cortex-M3內核，可以讓MCU實現更高的性能，更低的功耗和更多實時的應用。應用控制器的UART2實現與GPRS模塊連接，應用控制器的AD資源對傳感器輸出信號進行模數轉換，應用IO口功能實現泵閥控制和報警功能，應用UART3實現計算機現場參數配置(見圖3)。

圖3 現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的氣體。本文采用的是催化燃燒式氣體傳感器，當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氣體的濃度。

2.3 通信模塊

GPRS通信模塊是現場監測單元的重要組成部分，它把GPRS和Internet連接起來，實現GPRS通信。在本設計中，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 采樣氣路的設計

為了保證傳感器實施檢測時的準確性，對氣體采集的氣路進行了設計。當需要對氣體進行檢測時，控制電磁閥，使得待測氣體通過，經由真空泵抽取到傳感器處進行檢測;當不需要對氣體進行檢測時，使得清潔空氣進入傳感器，可以對傳感器進行“清洗”，可避免傳感器與待測氣體的長期接觸，引起傳感器內氣敏元件“中毒”等現象。在氣路選擇中使用了電磁閥和真空泵，因而對泵閥的驅動進行了設計[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 軟件設計

在完成現場檢測單元的硬件設計后，進行軟件設計來實現系統所需的功能。系統的軟件設計流程圖如圖6所示，系統開始工作時首先進行初始化等準備工作，然后自發自收短消息進行現場檢測單元校時;其次，接收授權手機發送的短消息命令，進行定時或隨機采樣，將采樣的結果保存并以IP的方式發送到監控管理中。當氣體含量超過閾值時，啟動報警模塊，并向授權手機發送報警短消息[12-13]。

4 測試結果與分析

在系統的硬件電路設計完成后，本文針對該系統的每個硬件都做了逐一的調試工作，正確地實現了對傳感器輸出信號采樣，并進行AD轉換;實現了對電磁閥和真空泵的控制，可以選擇不同氣路;實現了報警模塊功能;電源模塊可以為檢測系統提供3.3、5.0和12.0 V 的工作電壓等[14]。

在對系統硬件進行驗證后，結合相應的軟件設計，實現了GPRS短信的收發和IP方式數據的傳輸[15]。至此，基于GPRS的有害氣體檢測系統初步實現了以下的功能:能夠響應授權用戶發送的短消息命令;在TCP/IP連接狀態下，監控管理中心可以直接向現場檢測單元發送命令，現場檢測單元也可以直接向監控管理中心發送數據;定時采樣和隨機采樣，并把定時采樣的結果保存并上傳;采樣結果超標后向監控管理中心和授權用戶發送報警信息，并啟動現場檢測單元的報警裝置。

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

圖8為GPRS模塊以IP方式進行數據傳輸，將采集的數據傳到Internet的網絡后臺。

圖7 GPRS Text模式接收短消息1

圖8 GPRS基于IP方式的數據傳輸

5 結語

本文設計的可燃性氣體檢測系統利用催化燃燒式傳感器，高性能的32位STM32微處理器，以及GPRS無線模塊相結合，完成了對待測氣體進行測量控制、數據存儲、數據傳送、接收短消息命令和向授權手機發送報警消息等各項功能，可以實現系統的穩定運行。針對某種特定的可燃性氣體，在對傳感器進行校準后，即可進行準確的測量，滿足現場使用的要求。

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