基于無線通信的消防管道壓力監測系統設計

蘇卓宇++秦會斌

摘要：針對傳統壓力檢測記錄方法存在的問題，提出一種低功耗消防管道無線壓力監測系統的方法。該方法根據低功耗設計理念，對壓力采集系統的硬件電路、軟件流程進行設計。硬件電路以PIC18F87K90單片機為核心，具有液晶顯示、按鍵開關、無線傳輸等功能。軟件設計實現了溫度補償功能，并簡化了外圍電路，降低了系統功耗，提高了數據采集精度。最后給出了傳感器在測量范圍為0～40MPa的測試結果：最大誤差為0.04Mpa，可滿足系統的精度要求。

關鍵詞：無線通信；壓力檢測；傳感器；低功耗；PIC18F87K90；消防管道

DOIDOI：10.11907/rjdk.171672

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：16727800（2017）010010405

0引言

目前，消防安全意識越來越深入人心。為了保證消防系統正常運行，在火災發生時能夠及時投入工作，需要對消防設備進行經常性檢查維護。消防管道是輸送消防用水的管道，是消防系統中的重要一環。隨著壓力測量的應用越來越廣泛，對壓力測量儀器的要求也越來越高[13]。數字壓力表是在工業、交通運輸、航空及許多其它領域廣泛應用的一種檢測儀表，壓力是衡量消防管道是否正常運行的一個重要指標，關系到消防管道的強度和嚴密性[45]。因此，需要在重要節點、分支、端口等處對管道壓力進行檢測記錄。以往靠人工巡視往往因為數量多、路程遠、不方便操作等原因造成漏檢、錯檢，給消防管道的維護帶來隱患[68]。由此可見，設計一款遠程消防管道檢測系統刻不容緩，通過該系統可對管道壓力進行自動測量、自動記錄及上傳數據，并通過數據終端進行分布式查看，具有自動化程度高、測量用時短、維護量小、費用低、節省人工成本等優勢。

1系統組成

整個系統由壓力表、集中器、服務器和用戶終端4部分組成。工作原理如下：消防管道壓力由壓力表進行測量，然后把壓力數據按一定的數據格式（ModBus協議）傳送給集中器；壓力表和集中器之間通過二線制儀表總線MBUS總線連接。由于集中器安裝于現場，一個集中器帶有多個壓力表，分布范圍廣、距離遠，因此集中器與服務器通過GPRS傳遞數據；服務器存儲壓力數據，接受終端查詢， 并把來自終端的命令下發到集中器。

圖1系統框架

1.1數字式壓力表

數字式壓力表處于系統最底層，屬于下位機部分，需要實現的功能有：①測量功能：對管道壓力進行精確測量；②通訊功能：能接受集中器的“讀取數據”命令，將數據傳輸給集中器。

1.2集中器

集中器在數據傳輸中起承上啟下作用，需要實現的功能有：①與壓力表的通訊功能：對壓力表進行參數配置，讀取壓力表測量結果；②與服務器的通訊功能：接收服務器或用戶通過服務器發送的壓力表測量命令，讀取壓力數值并進行存儲、上傳處理。

1.3Internet服務器

Internet服務器負責連接集中器和用戶終端，需要實現的功能有：①與集中器的通訊功能：轉發用戶終端對壓力表的測量命令給集中器；向集中器發送“讀取數據”命令，并將接收到的數據存儲到數據庫；②數據庫功能，對壓力表數據進行存儲維護；③C/S結構的服務器功能：接收用戶終端的“數據查詢”命令，讀取數據庫信息，并提供相應數據。

1.4用戶終端

用戶終端處于系統的最高層，負責人機交互，需要實現的功能有：①以適當的格式顯示壓力表數據；②判斷數據是否超限、壓力表工作是否正常，并給出報警信息。

2數字式壓力表設計

本文目標為設計一款高精度、低功耗的數字壓力表，壓力表量程是0～40.000 MPa，精度為0.2%，因此其對于壓力校驗設備、壓力容器配套、自動化產線檢驗等更加適用。設計總體框圖如圖2 所示，外圍電路主要包括MCU 模塊、壓力傳感器模塊、液晶顯示模塊、電源數據采集和按鍵電路等。壓力傳感器模塊采用NKP191 型壓力傳感器，與目前市場上大多數數字壓力表使用的陶瓷壓阻式傳感器和陶瓷電容壓力傳感器不同，它是擴散硅壓阻式傳感器。擴散硅壓阻式傳感器比陶瓷壓阻式傳感器內阻小，且穩定性和精度更佳，與陶瓷電容壓力傳感器相比，其價格更便宜，安裝也更加簡便。總體而言，NKP191 型壓力傳感器各方面比較平衡。設計的壓力表另外一個優點是具有液晶顯示模塊，LCD 液晶由單片機直接驅動，可以去除LCD 驅動芯片，簡化外圍電路。

2.1信號放大電路

壓力傳感器采集壓力信號并轉換為電信號，再經過信號放大電路處理，傳入單片機的模擬通道，雖然選用的壓力傳感器輸出信號較大，但其差值信號很小，大約只有毫伏級別。由于單片機無法直接采集傳送該壓力信號，因此單片機與壓力傳感器之間需要有一個放大器模塊。本數字式壓力表采用的放大電路模塊是基于Microchip公司MCP6001芯片的差分放大電路，通過對壓力傳感器兩個輸出引腳的壓力信號作差分運算，即將小信號作適當的放大處理，之后輸送給單片機進行處理。

如圖3所示是放大電路模塊的差分放大電路圖，壓力傳感器兩個輸出端的V+和V-信號經過差分運算放大器放大，然后傳送給單片機的模擬信號采集通道引腳AN1進行信號采集。其中，運算放大器供電電源引腳和PIC18F87K90單片機AD模塊的外部參考電壓引腳都和單片機的RC7引腳連在一起，從而保證兩部分供電電壓的一致性。然而，由于供電電源是兩節干電池，共3伏，長時間使用后會導致電壓下降，導致供電電壓不穩定，最后導致模塊工作的不可靠性，從而影響了系統壓力采集的準確性。為了消除這一影響，在供電電源與模塊之間加入了D1穩壓二極管LM4040的穩壓器，可使運算放大器的供電電源和單片機AD模塊的參考電壓長期保持在一個恒定狀態。

2.2顯示驅動電路

由于PIC18F87K90內部集成了LCD驅動電路，不需要額外的驅動電路，從而簡化了電路結構。該單片機通過產生時序控制來驅動靜態和復用的LCD面板，只需配置單片機內部的一些寄存器，即能實現LCD液晶屏顯示的動態修改，能驅動最多具有4個公共端和32個段的面板，還可以控制LCD像素數據，其內部的7抽頭梯形電阻還可以動態改變對比度，使圖像顯示更加清晰。endprint

為了實現功耗低的目標理念，需要讓MCU產生合理的LCD驅動時序波形。PIC18F87K90單片機能夠提供兩種驅動波形：A型波和B型波，如圖4所示是在1/4 復用、1/3 偏置驅動時的A 型波形，如圖5所示是在1/4 復用、1/3 偏置驅動時的B 型波形。然后可以通過設置參考梯形電阻使LCD偏置電壓不同，從而改變LCD 驅動波形的功耗，使其中一種波形處于正常功耗工作模式，另一種波形處于低功耗工作模式，然后兩種波形復合使用，以達到降低整體功耗的目標。

從圖中可以看出，A型波形和B型波形兩者的區別在于相位改變的位置不同，A型波形的相位改變是在每個公共端類型處發生改變，這樣一幀波形中整個驅動電路的平均電壓即為零，但是B型波形相位的改變是在每個幀的邊界上發生的，從而導致需要兩個幀才能夠維持平均電壓為零。

3集中器

集中器主要起到承上啟下的作用，通過GPRS模塊接收服務器傳來的命令，然后通過MBUS總線與壓力表進行通訊。集中器上電后首先要讀出存儲在E2PROM中的GPRS撥號參數、串口波特率、Internet服務器IP地址等工作參數，對GPRS模塊進行設置。如果順利，GPRS此時即可登陸GSM網絡。然后單片機給GPRS發送撥號上網的AT指令，GPRS進行PPP撥號。GPRS模塊通過Internet服務器的IP地址以及端口號等參數向服務器發起TCP或UDP通訊請求，在得到服務器響應后，GPRS模塊則認為與中心握手成功，即可實現GPRS與Internet公網服務器的通訊。如果通訊連接中斷，GPRS立即重新與服務器握手。GPRS模塊中的數據傳輸是透明傳輸，GPRS模塊接收到單片機的串口數據，則立即把數據封裝在一個TCP/UDP包里，發送給服務器。反之，當GPRS模塊收到服務器發來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發送給集中器。Internet服務器可同時與多個集中器進行雙向通訊。另外對GPRS模塊還有以下要求：支持自動心跳，保持永久在線，實時監測網絡連接情況，具有看門狗技術與掉線自動重撥功能，永不關機。

4MBUS總線

MBUS總線是一種用于遠程儀表讀取數據的歐洲標準，具有如下特點：①兩線制總線，不分正負極，施工簡單；②單用獨特的電平特征傳輸數字信號，抗干擾能力強；③總線可以為每一個通信節點提供3.3V/3mA的穩壓電源，為儀表提供2種供電方式；④可采用任意總線拓撲結構，系統組網成本低、擴展靈活；⑤總線采用12～42V電源供電，具有本質安全的特性；⑥專門設計的保溫格式可滿足計量儀表聯網和遠程讀數需要；⑦通訊過程完全由主機控制，任一通信節點故障不影響整體總線。MBUS總線的上述特點很好地滿足了本系統測點分散、壓力表分布范圍廣等要求。

使用MBUS網絡，不但可以進行通訊傳遞數據，還可以對壓力表供電，解決了電池供電時間短、需要經常更換的問題。

5軟件設計

5.1壓力采集軟件設計

圖6為壓力采集部分軟件設計框架，其實時采集壓力數據并顯示，程序中每隔一段時間會開啟相應的定時器中斷溢出標志，使程序開啟A/D模塊進行數據采集。首先采集放大后的電壓信號，輸送到單片機內部，然后把處理好后的數據顯示在LCD液晶屏上。

5.2溫度補償系數

由于壓力傳感器在測量過程中受到環境制約，存在溫度漂移和零點漂移的缺點，嚴重制約壓力傳感器的測量精度和應用范圍，因此需要對其進行溫度補償。然而對零點漂移和靈敏度漂移的補償存在交叉影響，給補償工作帶來一定難度。本系統中由于沒有硬件上的溫度補償電路，所以在壓阻式壓力傳感器工作時，單片機內部單元首先測量出當前環境的溫度數據，然后查出預先在單片機EEPROM中存儲的常溫下的溫度數據，最后利用如下的運算函數關系得到最終的溫度補償系數t：

當|T1-T0|≤PCK時：

t=|T1-T0|PCKK＼-1（1）

當|T1-T0|≥PCK時：

t=K＼-1+（|T1-T0|-45）PCKK＼-2（2）

其中，PCK是之前人為設定的溫差，可以作為兩段溫度補償曲線的分界線；在公式（1）、（2）中，K＼-1、K＼-2是系統設定的溫度補償系數，可以通過按鍵進入修改；t是最終得到的溫度補償系數。

5.3數字信號處理

由于輸出壓力與壓阻式壓力傳感器輸出的電壓信號之間沒有嚴格的線性關系，需要將輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號之間的曲線分成若干段，每一段小曲線可以使用一段端與端之間的直線代替。因此，采用分段線性插值法來擬合逼近曲線，如圖7所示。

分段線性插值原理是將每個相鄰節點用直線連接起來，形成一條新的折線即是分段線性插值函數，可以記為I_n （x_i ）=y_i。其中I_n （x）在每一個區間[x_i，x_（i+1）]上面都是線性函數（i=0，1…n-1），從而可以得到以下的線性插值函數：

I＼-n（x）= ∑ni=0yili（x）（3）

li（x）=X-Xi+1Xi-Xi+1（4）

由于工作環境必然會受到溫度影響，以及壓力傳感器本身設計的局限性，必然會出現溫漂問題。因此，在沒有硬件補償電路設計時，必須加入軟件補償，通過加入溫度補償系數t進行修正，提高精確度。圖8為軟件補償設計框圖。

最終得到的是輸出壓力與壓力傳感器電壓信號、溫度補償系數t之間的二元函數，其表達式為：

y=f（u，t）（5）

公式（5）中，u表示壓阻式壓力傳感器的輸出電壓信號大小，t表示修正過的溫度補償系數，y即是最終得到的輸出壓力值，從而達到消除溫度對壓力監控系統影響的目的，最終得到可靠又準確的壓力值。

5.4信號發送

集中器通過MBUS網絡向各壓力表輪訓測量結果，判斷壓力值是否在正常范圍內，如果超限則立即通過GPRS向服務器報告數據異常，觸發緊急響應機制。如果沒有異常則保存數據，等待服務器查詢。endprint

5.5終端接收軟件

本系統設計的終端軟件是一款基于Andorid平臺的APP，采用面向連接的、可靠的傳輸層通信協議TCP，TCP通信主要是基于SOCKET套接字來完成。圖10為客戶端與服務器的通信過程，

6實驗結果及分析

本次實驗測量的主要技術參數如下：測量范圍是0～40MPa；系統供電電源為2節干電池，電壓為3V；壓力傳感器的安裝接口是M20*1.5；準確度為0.2級；檢驗溫度是25±2℃；測試時環境濕度為%65RH；在整個壓力測試過程中，電壓波動范圍為2.8～3.1V，大氣壓力為101KPa。測試數據如表1所示。

從表中數據可以得出，數據線性穩定，與標準壓力表測量的數據之間存在一定誤差。分析產生誤差的主要原因是傳感器通電時間長引起熱漂移，從而導致采集數據產生一定偏差。但由示值最大誤差可以得出，最終誤差仍然可以達到精度要求。

7結語

本文設計了一種基于無線通信的消防管道壓力采集系統，針對傳統人工巡視記錄由于存在數量大、路程遠、不便操作等缺陷，從而造成漏檢、錯檢的問題，提出了一種無線通信的解決方案。基于無線通信的壓力監測系統具有功耗低、精度高等特點，可以提高對消防管道的監測效率，并且保證了較長的使用壽命。該系統對管道壓力進行自動測量，自動記錄、上傳數據，并通過數據終端進行分布式查看，具有自動化程度高、測量用時短、維護量小、費用低、節省人工成本等優勢。

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責任編輯（責任編輯：黃健）endprint