地下管網(wǎng)GSM網(wǎng)絡(luò)氣體檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計

張國岳

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

地下管網(wǎng)，是城市運(yùn)作的重要硬件基礎(chǔ)。由于其隱藏于地下，空間相對封閉，會產(chǎn)生以爆炸性為主要危害的甲烷、以毒性為主要危害的一氧化碳和硫化氫、及因含量降低而導(dǎo)致人員傷害的低氧氣含量環(huán)境，極易造成人員傷害及財產(chǎn)損失。及時發(fā)現(xiàn)并消除物的不安全狀態(tài)可有效避免事故發(fā)生，因此需要一種系統(tǒng)，可實(shí)時對上述四種氣體進(jìn)行實(shí)時檢測，并有著能夠覆蓋城市范圍的傳輸網(wǎng)絡(luò)，以使相關(guān)人員及時發(fā)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)管網(wǎng)的危險氣體隱患并作出反應(yīng)。

甲烷、一氧化碳、硫化氫及氧氣傳感器在工業(yè)上有著成熟而廣泛的應(yīng)用。STM32F103系列Cortex-M3內(nèi)核處理器作為一種可靠的嵌入式平臺，對實(shí)時內(nèi)核支持良好，片上資源豐富，能夠很好地整合外圍設(shè)備。GSM網(wǎng)絡(luò)分布廣泛，可靠性高，使用GPRS進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)傳輸能夠滿足系統(tǒng)對傳輸范圍和可靠性的要求。

系統(tǒng)通過STM32處理器采集氣體傳感器的檢測信號，使用GPRS模塊將氣體濃度信號以TCP協(xié)議通過GSM網(wǎng)絡(luò)上傳，監(jiān)控計算機(jī)運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件對氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，判斷報警，令監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)危險，以便采取措施。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備由傳感器單元、處理器單元、GPRS單元、執(zhí)行單元及電源管理單元組成。傳感器單元包括對應(yīng)CH4、CO、H2S、O2四種氣體的傳感器及其信號放大電路，信號通過處理器的A/D轉(zhuǎn)換被采集；處理器單元包括系統(tǒng)核心STM32F103CET6處理器，存儲設(shè)備地址及設(shè)置參數(shù)的EEPROM，存儲歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和報警記錄的FLASH ROM以及與設(shè)置用設(shè)備進(jìn)行通信的設(shè)置接口；GPRS單元包括GPRS模塊、SIM卡電路及天線，通過串行接口與處理器通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程通信；執(zhí)行單元包括直流繼電器及其驅(qū)動電路，用于在報警或故障時輸出節(jié)點(diǎn)控制信號；電源管理單元負(fù)責(zé)對接入的交流市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)各單元及元件提供所需的電源。

1.1 傳感器單元

對于可燃?xì)猓x用目前應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)比較成熟的催化燃燒式傳感器。傳感器由一對串聯(lián)的鉑金絲繞制電阻組成，兩端電阻阻值平衡，其中一端電阻涂覆催化劑，作為檢測段，另一端作為參考端。其測量原理為：電流加熱鉑金絲，在檢測環(huán)境沒有可燃?xì)獾那闆r下，電橋輸出平衡；當(dāng)傳感器接觸到可燃?xì)鈺r，涂覆催化劑的感應(yīng)端產(chǎn)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)的同時釋放出熱量，使其溫度升高、電阻增大，而參考端的電阻值不變，導(dǎo)致兩端阻值不平衡，分壓改變。輸出的信號與可燃?xì)夂砍烧龋ㄟ^檢測電壓變化，得到可燃?xì)鉂舛萚1]。可燃?xì)鈧鞲衅鞯碾娐啡鐖D2所示。其中傳感器SENSOR與電阻R1、R2電位器V1組成電橋，電位器V1用于調(diào)整電橋的靜態(tài)平衡。傳感器信號進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，放大器正向輸入端引入共模輸入，實(shí)現(xiàn)對信號的差分放大。電阻R7、R8、R9與電位器V2及熱敏電阻RT1構(gòu)成反饋電路，VT2用于電路增益的調(diào)整，RT1為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用以補(bǔ)償器件的溫度漂移。放大后的信號輸出到處理器的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖1 節(jié)點(diǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

圖2 可燃?xì)鈧鞲衅鞣糯箅娐?/p>

對于毒性氣體CO、H2S的檢測，使用定電位電解傳感器。利用電化學(xué)原理將被測氣體的含量轉(zhuǎn)化為電信號，其主要由電解槽、電解液和電極組成，傳感器的三個電極分別被稱為感應(yīng)電極、參比電極和對電極。傳感器的工作原理為：被測氣體由進(jìn)氣孔通過滲透膜擴(kuò)散到敏感電極表面，在感應(yīng)電極、電解液、對電極之間進(jìn)行氧化反應(yīng)，參比電極在傳感器中不暴露在被分析氣體之中，用來為電解液中的工作電極提供恒定的電化學(xué)電位。被測氣體通過傳感器滲透膜，進(jìn)入電解槽，傳感器電解液中擴(kuò)散吸收的被測氣體發(fā)生氧化反應(yīng)。與此同時產(chǎn)生對應(yīng)的極限擴(kuò)散電流，在一定范圍內(nèi)其大小與被測氣體濃度成正比[2]。通過檢測電流，卻定被測氣體的濃度。毒性氣體傳感器測量電路如圖3所示。傳感器內(nèi)部經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)從感應(yīng)電擊輸出電流信號，通過運(yùn)算放大器U2將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號通過U1放大進(jìn)入處理器A/D轉(zhuǎn)換器。其中RT1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用于傳感器信號的溫度補(bǔ)償。U1采用OP90精密低電壓微功耗運(yùn)算放大器[3]。

氧氣傳感器為原電池式，其結(jié)構(gòu)包括透過膜、電解液、鉛陽極電極、貴金屬陰極電極。當(dāng)氧氣通過滲透膜進(jìn)入電解液時在陽極產(chǎn)生氧化反應(yīng)在陰極產(chǎn)生還原反應(yīng)，當(dāng)外電路有負(fù)載時電解產(chǎn)生的電流與氧濃度成正比。根據(jù)測得的電流值可求得氧氣濃度。氧傳感器測量電路如圖4所示。其中電阻R1用于電源的等效變換，輸出電壓信號。電位器V1構(gòu)成反饋電路，用于調(diào)整放大器放大系數(shù)。信號經(jīng)運(yùn)算放大器OP07放大后進(jìn)入處理器A/D轉(zhuǎn)換器。

圖4 氧氣傳感器放大電路

1.2 處理器單元

處理器的功能包括：對傳感器信號進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換，并對信號進(jìn)行濾波及校準(zhǔn)處理；對GPRS模塊進(jìn)行配置并通過其與上位機(jī)進(jìn)行通信；利用存儲器存儲、讀取歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及報警記錄；記錄并執(zhí)行設(shè)置信息；產(chǎn)生報警信息及控制繼電器動作。處理器使用ST公司的STM32F103CET6 ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核處理器。2.0V～3.6V供電，最高頻率72MHz，512K字節(jié)Flash，64K字節(jié)SRAM具有3路12位1μs間隔A/D轉(zhuǎn)換器，三路USART，I2C及SPI總線接口控制器，能夠滿足系統(tǒng)需要。EEPROM存儲器用于存儲節(jié)點(diǎn)設(shè)備的設(shè)備地址及對傳感器信號進(jìn)行修正的的運(yùn)行參數(shù)。選用AT24C04 I2C總線存儲器。FLASH ROM用于存儲系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和報警記錄存儲器選用ATMEL公司的AT45DB161D SPI總線存儲器。預(yù)留設(shè)置接口為帶有光隔離的RS-485總線接口，用于參數(shù)設(shè)置設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置的通信連接。

1.3 GPRS單元

GPRS單元主要包括GPRS模塊、SIM卡電路及天線，GPRS模塊使用有方M590E.3.3～4.8V供電，雙頻頻段EGSM900/DCS180，靈敏度-106dBm，最大電流2A，工作電流210mA，協(xié)議兼容GSM/GPRS Phase 2/2+，AT指令集支持GSM07.07及擴(kuò)展指令集。GSC射頻連接器，配合天線。能夠滿足系統(tǒng)需要。在電源設(shè)計上，考慮到模塊瞬時電流可達(dá)2A，在電源處使用1000uF鋁電解電容進(jìn)行濾波，同時并聯(lián)0.1uF陶瓷電容濾除數(shù)字信號噪聲，并聯(lián)100pF陶瓷電容濾除射頻噪聲。串行接口通過200Ω電阻與處理器的USART2接口連接，并在模塊接收引腳與地之間加100pF電容，提高模塊抗干擾能力。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)在μVision4平臺下開發(fā)，采用將系統(tǒng)各功能分解為任務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)性設(shè)計方法，使用Micriμm公司的μC/OS-Ⅲ實(shí)時內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理和時間管理，程序以C語言編寫。

首先需進(jìn)行μC/OS-Ⅲ內(nèi)核在STM32處理器上的移植、編寫內(nèi)核時鐘的中斷服務(wù)程序。μC/OS-Ⅲ源代碼中，與CPU相關(guān)的文件包括os_cpu.h、os_cpu_a.asm、os_cpu_c.c、cpu_core.c、cpu_core.h、cpu_def.h、cpu_cfg.h、cpu.h、cpu_a.asm、cpu_c.c[4]。在 os_cpu.h文件中對系統(tǒng)時鐘的中斷優(yōu)先級進(jìn)行配置：

對os_cpu_a.asm中有關(guān)處理器中斷向量控制器的設(shè)置進(jìn)行修改：

設(shè)置內(nèi)核時鐘。Cortex內(nèi)核包括一個24位的向下計數(shù)器，具備自動重加載和完成后中斷的功能，其設(shè)計是作為RTOS的系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷[5]。因此將此資源作為內(nèi)核時鐘，其中斷服務(wù)程序如下：

G P R S 模塊的初始化過程如圖5 所示。系統(tǒng)上電后處理器等待GPRS模塊返回就緒信息“+PBREADY”。就緒后檢查信號強(qiáng)度及GSM網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)；選擇TCP協(xié)議棧，為了縮短開發(fā)周期，選擇模塊內(nèi)置協(xié)議棧；設(shè)置APN參數(shù)選擇運(yùn)營商及進(jìn)行用戶身邊認(rèn)證；進(jìn)行PPP連接并確認(rèn)獲取分配的IP；設(shè)置檢測系統(tǒng)所使用網(wǎng)絡(luò)IP地址及端口號或解析DNS獲得動態(tài)域名，并等待TCP連接建立；確認(rèn)TCP連接建立后系統(tǒng)即可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，發(fā)送數(shù)據(jù)前用AT+IPSTATUS指令檢查數(shù)據(jù)鏈路緩沖區(qū)大小，避免數(shù)據(jù)溢出。運(yùn)行過程中對模塊的信號強(qiáng)度，鏈路狀態(tài)進(jìn)行周期檢查，以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接，保證通信穩(wěn)定。

處理器周期性采集傳感器檢測信號，并對樣信號使用遞推平均值算法進(jìn)行濾波處理，該算法可以降低擾動的變化率，避免因干擾造成誤報警。檢測數(shù)據(jù)變化曲線平滑，提高用戶體驗(yàn)。對濾波后的數(shù)據(jù)根據(jù)其數(shù)值所在范圍進(jìn)行校正處理，以保證示值的線性度。將完成處理的數(shù)據(jù)比對相應(yīng)的報警閾值，若在一定連續(xù)周期的檢測結(jié)果超過閾值，則產(chǎn)生報警，處理器記錄并上傳報警信息、控制執(zhí)行單元動作，其中氧氣為下限報警，即當(dāng)測得氧氣數(shù)據(jù)低于報警閾值時觸發(fā)報警，并認(rèn)為正常情況下空氣中標(biāo)準(zhǔn)氧含量（體積比）為21%[6]。

3 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷、一氧化碳、硫化氫及氧氣的可靠檢測，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)氣體計量驗(yàn)證，檢測結(jié)果誤差均不大于±5%，在流量300mL/m（毫升每分鐘）條件下，甲烷檢測示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值的90%所用時間不大于30秒；一氧化碳、硫化氫測示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值的90%所用時間不大于90秒；氧氣檢測達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值的±10%所用時間不大于90秒。甲烷檢測滿量程100%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限），分辨率1%LEL；一氧化碳檢測滿量程200ppm（part per million百萬分之一），分辨率1ppm；硫化氫檢測滿量程100ppm，分辨率1ppm；氧氣檢測滿量程25%Vol（volume摩爾體積比），分辨率0.1%Vol。GPRS數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，傳輸延時小，能夠及時反映氣體濃度變化及出發(fā)并上傳報警信息。本系統(tǒng)可以作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測地下管網(wǎng)氣體環(huán)境的一種解決辦法，能夠令相關(guān)人員及時發(fā)現(xiàn)危險以便進(jìn)行處置，同時減輕其巡線工作量，降低成本。但由于地下管網(wǎng)環(huán)境惡劣，部分地區(qū)管網(wǎng)中水位隨季節(jié)變化大，因此對系統(tǒng)的可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 GPRS模塊初始化及TCP連接流程

[1]畢明樹,楊國剛.氣體和粉塵爆炸防止工程學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[2]李國剛,環(huán)境空氣和廢氣污染物分析測試方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[3]王曉明,無線二氧化硫傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,9：32-35.

[4]Jean J.Labrosse.嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC-OSIII.宮輝等[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[5]Jean J.Labrosse.嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC-OSIII應(yīng)用開發(fā).何小慶 張愛華[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[6]GB 3836.爆炸性氣體環(huán)境用電器設(shè)備[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.