引言

近年來，隨著我國能源需求的急劇增長，煤炭石油化工等行業(yè)蓬勃發(fā)展。這些行業(yè)在源源不斷地為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動力的同時(shí)，也帶來了一定的安全隱患，因有毒有害及易燃易爆氣體等引發(fā)的中毒、火災(zāi)甚至爆炸等事故大幅增加。通過建立毒性及易燃?xì)怏w濃度監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測易燃易爆、有毒有害氣體的濃度，并通過多種方式及時(shí)報(bào)警，從而最大程度地降低人員和財(cái)產(chǎn)損失，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活保駕護(hù)航。

本文在總線型氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向安全生產(chǎn)的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的便攜式氣體檢測儀或基于有線的氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用低頻無線傳輸方式，省去了開槽、布線等繁瑣步驟，具有安裝簡便、部署靈活、總體成本低、傳輸距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適用于不宜布線或危險(xiǎn)的場所。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能是：各無線節(jié)點(diǎn)采集周圍環(huán)境內(nèi)的氣體濃度，節(jié)點(diǎn)濃度的超限報(bào)警，控制器實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)氣體濃度和報(bào)警信息，控制器根據(jù)監(jiān)測情況自動開啟或關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如風(fēng)機(jī)等），遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示氣體濃度和報(bào)警信息。此外，還要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的無線傳輸能力，能夠繞開或穿透障礙物（如樓板或圍墻）繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸。

根據(jù)上述功能需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線傳輸方式的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、一個(gè)現(xiàn)場控制器和多個(gè)氣體檢測節(jié)點(diǎn)組成?，F(xiàn)場控制器處于整個(gè)系統(tǒng)的核心位置,主要負(fù)責(zé)向各個(gè)氣體檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送輪詢指令、接收節(jié)點(diǎn)返回的檢測數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷、產(chǎn)生報(bào)警事件、控制風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣體檢測節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)周圍的氣體濃度并上報(bào)至控制器。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通常是一臺工作站，主要負(fù)責(zé)接收來自控制器的氣體濃度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。其中，節(jié)點(diǎn)與控制器之間采用470MHz低頻無線傳輸方式，控制器與監(jiān)控中心之間則采用GPRS傳輸方式。

由于ZigBee存在與Wi-Fi、藍(lán)牙的同頻干擾問題，以及2.4GHz穿透性和靈敏度較差，傳輸距離不盡人意，因此，本文采用了低頻ISM頻段的無線自組網(wǎng)技術(shù)。目前,普遍采用的低頻段包括915MHz、868MHz、433MHz以及470~510MHz頻段。與ZigBee相比，低頻段組網(wǎng)除穿透能力強(qiáng)以外，還具有距離優(yōu)勢。有研究顯示，在433MHz和470~510MHz頻段下其傳輸距離是ZigBee的5倍。另外,由于本文所述系統(tǒng)是基于已有的總線型氣體監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，為簡便起見，舍棄其低頻組網(wǎng)功能，僅利用了無線模塊的透明傳輸功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與控制器之間的輪詢和應(yīng)答。

圖1氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2采集節(jié)點(diǎn)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成氣體監(jiān)測系統(tǒng)的基本單元。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)主要由微處理器模塊、電源模塊、傳感模塊、節(jié)點(diǎn)地址模塊、聲光報(bào)警模塊、無線傳輸模塊等組成。作為一項(xiàng)可選功能，還可根據(jù)用戶的需求增加一個(gè)基于液晶或LED數(shù)碼管的本地顯示模塊，用于即時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中采用成熟穩(wěn)定的宏晶STC12LE5404AD單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的微處理器芯片。為簡便起見，采用8位撥片開關(guān)作為節(jié)點(diǎn)地址模塊，通過不同位序的開關(guān)組合來確定相應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)在RS485通訊中的硬件訪問地址，并確保各節(jié)點(diǎn)地址在整個(gè)系統(tǒng)中的唯一性。聲光報(bào)警模塊在單片機(jī)的控制下，可根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行閃爍燈光并發(fā)出間歇的蜂鳴音，提示用戶及時(shí)處理險(xiǎn)情。無線傳輸模塊將控制器下發(fā)的輪詢指令通過RS485通訊的形式提交給單片機(jī)，單片機(jī)分析指令數(shù)據(jù)，并將傳感模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊上報(bào)至控制器。至此，便完成了一次數(shù)據(jù)采集。

在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮采集節(jié)點(diǎn)的防爆問題。因此,本設(shè)計(jì)采用定制的鋁質(zhì)殼體對節(jié)點(diǎn)的電路板和內(nèi)部元件進(jìn)行了封裝，對傳感器探頭也進(jìn)行了相應(yīng)的處理，以達(dá)到安全防爆、安裝牢固、運(yùn)行穩(wěn)定的目的。在最新的改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)中，傳感器模塊采用了熱插拔的形式，大大方便了用戶更換傳感器的工作,操作過程更加簡單。

2.2下位機(jī)程序

下位機(jī)程序是在單片機(jī)微處理芯片內(nèi)運(yùn)行的調(diào)度程序,通常使用匯編語言或C語言編寫。STC12LE5404AD是一款典型的51系列單片機(jī)，而基于C語言在KeiluVision3開發(fā)環(huán)境下編寫的采集節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)程序，則主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取、收發(fā)、顯示和報(bào)警等功能。此外，為了實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊，本設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)了一套基于RS485的通訊協(xié)議?？刂破骱筒杉?jié)點(diǎn)必須完全按照該協(xié)議規(guī)定的格式和速率(波特率)進(jìn)行通訊，才能實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)采集。具體的下位機(jī)程序及通訊協(xié)議內(nèi)容，因篇幅所限在此不再贅述。

3控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1京更件組成

氣體濃度監(jiān)測的現(xiàn)場控制器主要由人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理模塊、低頻通信模塊、GPRS通信模塊、多路繼電器模塊、聲光報(bào)警模塊和電源模塊等組成。其中，人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理模塊是控制器的核心內(nèi)容?？刂破飨到y(tǒng)的硬件組成及相互關(guān)系如圖3所示。

本設(shè)計(jì)采用昆侖通態(tài)生產(chǎn)的TPC7062K嵌入式一體化工控觸摸屏作為人機(jī)交互界面。該產(chǎn)品基于一顆主頻速度為400MHz的嵌入式低功耗ARMCPU，并采用了7in高亮度TFT液晶顯示屏和四線電阻式觸摸屏，能夠很好地完成人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理任務(wù)。TPC7062K通過RS485與低頻無線模塊通信，實(shí)現(xiàn)輪詢指令的下發(fā)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收；同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至GPRS模塊，繼而遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心的工作站。此外，TPC7062K還可控制聲光報(bào)警和繼電器模塊，分別實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警和啟停相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如風(fēng)機(jī))的功能。

為了給控制器系統(tǒng)提供合適的電源，設(shè)計(jì)采用了220V轉(zhuǎn)24V的電壓轉(zhuǎn)換器。用戶使用控制器時(shí)只需接入市電即可。另外，本設(shè)計(jì)還為控制器配置了一套24V的備用電池。在市電接入時(shí)，控制器自動切換到市電供電模式，并開始給電池充電。若遇到市電停電，控制器將自動切換到電池供電模式，并仍能正常工作3~6h，從而保障了氣體監(jiān)測的連續(xù)性。圖4所示是現(xiàn)場控制器的實(shí)體圖。

圖4現(xiàn)場控制器樣機(jī)

3.2上位機(jī)程序

上位機(jī)程序基于MCGS組態(tài)軟件開發(fā)，運(yùn)行于TPC7062K，它是控制器系統(tǒng)的靈魂所在，決定了整個(gè)系統(tǒng)的使用價(jià)值。圖5所示是本系統(tǒng)上位機(jī)的系統(tǒng)主界面圖。

目前，我國已經(jīng)制訂了關(guān)于氣體監(jiān)測報(bào)警領(lǐng)域的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB16808—1997《可燃?xì)怏w報(bào)警控制器技術(shù)要求》、GB12358—90《作業(yè)環(huán)境氣體檢測報(bào)警儀通用技術(shù)要求》、GB50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》等。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了毒性及可燃?xì)怏w報(bào)警器報(bào)警設(shè)置的要求和規(guī)程。本文所述的氣體濃度監(jiān)測報(bào)警上位機(jī)程序就是依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)的，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)要求。其功能要點(diǎn)主要包括：

實(shí)時(shí)顯示

上位機(jī)系統(tǒng)的主界面大體上分為三個(gè)區(qū)域：報(bào)警顯示區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和用戶控制區(qū)。各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)位于數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別顯示相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號、當(dāng)前濃度數(shù)值、節(jié)點(diǎn)通訊狀態(tài)、監(jiān)測氣體類型和氣體濃度單位。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)將每隔200ms的時(shí)間依次輪詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)即時(shí)刷新和顯示。

⑵報(bào)警鎖定

氣體濃度報(bào)警值分為低報(bào)濃度值和高報(bào)濃度值。當(dāng)監(jiān)測到的氣體濃度達(dá)到或超過低報(bào)濃度值時(shí)，將觸發(fā)低限報(bào)警；達(dá)到或超過高報(bào)濃度值時(shí)，將觸發(fā)高限報(bào)警。一旦觸發(fā)報(bào)警，監(jiān)測數(shù)字將顯示為深紅色，并閃爍跳動；界面上方的報(bào)警顯示區(qū)將循環(huán)滾動顯示當(dāng)前的報(bào)警節(jié)點(diǎn)號和報(bào)警類型；控制器上的聲光喇叭將不停閃爍并發(fā)出報(bào)警聲。此外，發(fā)生報(bào)警后，報(bào)警探頭的濃度數(shù)值將被鎖定，即只能上不能下，直至節(jié)點(diǎn)復(fù)位。

故障區(qū)分

在實(shí)際應(yīng)用中，采集節(jié)點(diǎn)可能會發(fā)生短路或開路故障，或者被拿走進(jìn)行檢修。在此種情況下，系統(tǒng)將自動加以區(qū)分。對于短路和開路故障，系統(tǒng)分別將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號標(biāo)記為不同的顏色并跳動閃爍，提示用戶節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的具體故障。某節(jié)點(diǎn)被關(guān)閉電源取走以后，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)號將顯示為屏蔽狀態(tài)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)的通訊狀態(tài)將顯示為斷開。

探頭復(fù)位

當(dāng)有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)超過報(bào)警限值時(shí)，系統(tǒng)將自動鎖定相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，直到用戶確認(rèn)排除險(xiǎn)情并手動進(jìn)行復(fù)位操作。通過進(jìn)行復(fù)位，系統(tǒng)將把所有被鎖定的節(jié)點(diǎn)解鎖，當(dāng)前數(shù)據(jù)即刻顯示為實(shí)際數(shù)值，同時(shí)也進(jìn)行了消聲處理。

事件日志

對于氣體監(jiān)測過程中所發(fā)生的報(bào)警或故障等事件，系統(tǒng)將自動進(jìn)行保存。存儲的內(nèi)容包括事件發(fā)生的對象、發(fā)生的時(shí)間、事件的類型、事件發(fā)生時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)以及用戶對事件的處理情況等。

設(shè)備控制

用戶可對與控制器連接的電磁閥和風(fēng)機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行啟停控制。外部設(shè)備與控制器采用有線連接的方式。

系統(tǒng)設(shè)置

由用戶對系統(tǒng)運(yùn)行所需的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括節(jié)點(diǎn)數(shù)量、輪詢周期、低報(bào)限值、高報(bào)限值、預(yù)熱時(shí)長、氣體類型、濃度單位等。這些參數(shù)一經(jīng)設(shè)置即會保存，用戶只需設(shè)置一次。系統(tǒng)設(shè)置后將即時(shí)生效。

4結(jié)語

本系統(tǒng)研制完成后在某燃?xì)夤具M(jìn)行了應(yīng)用。系統(tǒng)上電后，各路探頭首先進(jìn)行了為時(shí)2min的預(yù)熱自檢，自檢結(jié)束后控制器立即收到了第1路數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心工作站的界面上也能夠同步顯示各路數(shù)據(jù)。在輪詢間隔設(shè)置為500ms的情況下，控制器屏幕上的數(shù)據(jù)刷新非?？?，監(jiān)測的實(shí)時(shí)性很好。從總體 來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要 求，尤其是在節(jié)點(diǎn)分布較多的情況下，顯著減輕了節(jié)點(diǎn)安裝部 署的工作量。當(dāng)然，本系統(tǒng)仍然存在一些需要繼續(xù)改進(jìn)的地方, 如節(jié)點(diǎn)供電問題、低能耗問題、探頭標(biāo)定問題、通信干擾問題、 GPRS信號問題等。今后，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的新情況 對本系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，使之最大程度地貼近用戶 需求，滿足安全生產(chǎn)的實(shí)際需要。

20211021_617173047d978__基于低頻無線數(shù)傳模塊的氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)