基于太陽能充電的無線遠程監控氯氣泄漏系統

王金輝，周巧娣* ，徐勤利，，蔣科學，陳文華

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

對于現代工業迅速崛起，氯氣的使用遍布化工，紡織，農業等多個領域。無論是作為氯氣的生產廠家還是對于大規模的氯氣使用廠家，氯氣的運輸和存儲都是至關重要的。氯氣的大量外泄會導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，做到現場報警避免工人接觸泄漏氣體而導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，不能夠實現實時檢測的效果。

本開題開發的基于太陽能充電的無線遠程監控系統，通過太陽能給系統供電，并且實現系統現場報警以及遠程監控，對氯氣泄漏實現實時檢測，避免因為人為檢測時間差導致氯氣泄漏無法檢測所造成的危險事故。

1 系統設計

該無線遠程檢測氯氣泄漏的系統，采用電化學傳感器［2］對泄漏氣體進行檢測獲取電流信號。系統設計首先將電流信號通過I/V 轉換電路轉換成電壓信號，再經過電壓放大電路放大輸入到微控制器MSP430 的ADC(模/數轉換器)，經MCU 處理分析后將信息通過無線模塊傳輸給遠程服務器端，同時啟動現場報警功能，實現現場和遠程報警。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據傳輸，所以系統中使用GSM 而不使用GPRS。

系統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，確保系統能夠正常運行，實現對氯氣泄漏進行全天實時監測、現場以及遠程報警的功能。圖1 為系統的整體結構圖。

圖1 系統整體結構圖

2 硬件電路設計

系統硬件電路主要包括系統電源電路、傳感器信號采集及調理電路、太陽能電池板充電電路、現場報警以及無線GSM 數據傳輸電路［5］。

2.1 系統電源設計

該系統采用MSP430F149 微處理器［6］，16 bit 的RISC 結構，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，且有低功耗的優點。

MSP430F149 單片機供電電壓是3.3 V，因此系統供電是由LM2576－5 V 經過LM1117－3.3 V 轉換而來。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 電壓轉換成±12 V。

2.2 傳感器信號采集及調理電路設計

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

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 主要實現的是I/V 轉換［8］，把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，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參比電極，導致電壓損耗和參比電極的鈍化。該設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過濾波和放大才能進入A/D 進行數模轉換，這就需要在A/D 和傳感器前置電路之間有一個信號調理電路。系統中的信號調理電路如圖2 所示。

圖2 傳感器信號調理電路

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，放大倍數與這兩個電阻的關系如式(1)所示:

式中n 代表放大倍數，通過調整R20和R24的值，調整信號的線性放大倍數。本次設計將信號線性放大2 倍。

2.3 太陽能電池板充電電路設計

該系統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。本設計采用簡單充電電路設計，實現太陽能供電和充電，并實現沒有光照的情況下，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)，穩壓芯片選擇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進行調解滿足要求，除此之外設計中加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 無線數據傳輸模塊設計

無線數據傳輸報警是以發送短消息［9］的方式，將現場數據傳輸給遠程控制端，從而實現遠程監控的功能。無線數據傳輸模塊選擇法國的Q2403A［10］模塊，結構如圖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。其次電路設計時模塊的TX 和RX 引腳直接跟MSP430 連接，因為模塊數據的信號電平是TTL 電平而不是RS232 電平，這里不需要外加電平轉換芯片。Q2403A(工業級)的4 個引腳需要接地，否則信號不會通過天線發射出去。

考慮系統的可控性和可調試性的要求，采用MSP430 控制Q2403A 的RESET 引腳的方式，避免Q2403A 模塊的發送失敗。

2.5 現場報警電路設計

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

圖5 現場報警電路

當MSP430 引腳輸出為高電平時，三極管S8050導通，驅動光電耦合器TLP521 打開，后級NPN 型功率達林頓管TIP142 導通，執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，上電工作時會產生反電動勢，采用二極管IN4007 可以起到續流保護作用。

3 系統軟件設計

系統軟件部分設計主要由信號采集模塊程序和啟動報警程序以及無線數據傳輸程序。信號采集程序主要是通過實現MSP430 的ADC 功能模塊，報警以及數據無線傳輸主要是通過I/O 口控制和USART 數據傳輸給GSM，然后有其發送給遠程終端設備。

3.1 信號采集模塊程序設計

信號采集模塊程序是在IAR Embedded Workbench V6.0 開發環境下由C 語言開發的，其中包括ADC 模塊初始化，使能ADC 轉換功能，其中A/D 模塊的采樣頻率設置為1 Hz。

傳感器檢測到氯氣將會產生電流信號，經調理后轉換為電壓信號，MCU 將ADC 采集的數據處理后存儲到相應數組并傳輸給GSM，由GSM 模塊傳輸到終端檢測設備。為了使測量準確、穩定，對被測量數據進行多次測量，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 為重復測量次數;xi為每次測量值。本次程序重復采集8 組數據進行疊加平均計算處理。如果沒有采集到相應的傳感器轉換來的電壓信號，數組中的空置數據將不會發送出去。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 報警及無線數據傳輸程序

報警與無線數據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，最后是相應功能的實現。報警程序是通過MSP430 通過普通I/O 口發送高低電平來控制隔離芯片TLP521 開關報警裝置。當有傳感器信號時，就觸發MSP430 的P1.2 端口發送高電平，開啟報警器，實現現場報警的作用。

無線數據傳輸程序是當有傳感器信號之后，MSP430 的內容ADC 會對信號進行采集處理，之后MSP430 會通過向GSM 模塊發送AT 指令［12］確定數據傳輸的目標地址(數據接收地址)，格式如“AT+CMGS=+8613XXXXXXXXX”，當有＞_回顯時，填充相應的短信內容(報警信息和ADC 采集信號量)，以0x16 結束短信內容，最后將數據發送給遠程終端設備。在在未完成ADC 數據轉換或者未處理完泄漏氣體之前，傳感器會持續發送檢測到的數據信息，信息最后發送的是電壓值，隨著氣體濃度的增加電壓會隨著變大，以實現信號量的大小來反映泄漏氣體量的多少。報警及無線數據傳輸程序流程圖如圖7 所示。

圖7 報警及無線數據傳輸程序流程圖

4 系統調試

將系統放于通風處，分別通入不同濃度的氯氣標準氣體，儀器的測量數值會通過GSM 模塊發送到無線接收模塊。太陽能電池板和鋰電池作為系統供電電源，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，系統可以正常運行。對于不同濃度氯氣的測試，系統會啟動報警裝置。

無線接收模塊將接收到的數據通過串口發送到上位機。調試過程中將程序設定為每10 s 發送一次數據，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，儀器的測量數值、相對誤差等結果見表1。

表1 實驗結果

從測量結果看出:實測數據的相對誤差在2%左右。

根據測量，經過I/V 轉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 結論

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

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