基于低频无线数传模块的气体浓度监控系统

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摘 要：为了克服传统有线气体监测系统的弊端，给出了采用低频无线数传模块设计和实现的一种毒性和可燃气体浓度监控系统的设计方法。介绍了该系统的组成结构和主要功能，并分别阐述了采集节点和控制器的设计过程。经实际应用证明，该系统适应性强，运行稳定，各项性能指标均可达到设计要求，应用前景广阔。

关键词：470 MHz；数传模块；气体监测；监控系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）06-0039-03

0 引 言

近年来，随着我国能源需求的急剧增长，煤炭石油化工等行业蓬勃发展。这些行业在源源不断地为经济发展提供动力的同时，也带来了一定的安全隐患，因有毒有害及易燃易爆气体等引发的中毒、火灾甚至爆炸等事故大幅增加。通过建立毒性及易燃气体浓度监控系统，可以实时监测易燃易爆、有毒有害气体的浓度，并通过多种方式及时报警，从而最大程度地降低人员和财产损失，为工农业生产和居民生活保驾护航。

本文在总线型气体检测报警系统的基础上，设计了一个面向安全生产的气体浓度监控系统。与传统的便携式气体检测仪或基于有线的气体检测报警系统相比，本系统采用低频无线传输方式，省去了开槽、布线等繁琐步骤，具有安装简便、部署灵活、总体成本低、传输距离远等突出优点，特别适用于不宜布线或危险的场所。

1 系统总体设计

气体浓度监控系统要实现的主要功能是：各无线节点采集周围环境内的气体浓度，节点浓度的超限报警，控制器实时显示各节点气体浓度和报警信息，控制器根据监测情况自动开启或关闭执行机构（如风机等），远程监控中心实时显示气体浓度和报警信息。此外，还要求系统具有较强的无线传输能力，能够绕开或穿透障碍物（如楼板或围墙）继续进行稳定传输。

根据上述功能需求，本文设计了一个基于无线传输方式的气体浓度监控系统。其总体结构如图1所示。

本系统主要由一个远程监控中心、一个现场控制器和多个气体检测节点组成。现场控制器处于整个系统的核心位置，主要负责向各个气体检测节点发送轮询指令、接收节点返回的检测数据、对数据进行分析判断、产生报警事件、控制风机等执行机构。气体检测节点主要负责采集节点周围的气体浓度并上报至控制器。远程监控中心通常是一台工作站，主要负责接收来自控制器的气体浓度数据和报警信息。其中，节点与控制器之间采用470 MHz低频无线传输方式，控制器与监控中心之间则采用GPRS传输方式。

由于ZigBee存在与Wi-Fi、蓝牙的同频干扰问题，以及2.4 GHz穿透性和灵敏度较差，传输距离不尽人意，因此，本文采用了低频ISM频段的无线自组网技术。目前，普遍采用的低频段包括915 MHz、868 MHz、433 MHz以及470～510 MHz频段。与ZigBee相比，低频段组网除穿透能力强以外，还具有距离优势。有研究显示，在433 MHz和470～510 MHz频段下其传输距离是ZigBee的5倍。另外，由于本文所述系统是基于已有的总线型气体监测报警系统，为简便起见，舍弃其低频组网功能，仅利用了无线模块的透明传输功能，实现节点与控制器之间的轮询和应答。

2 采集节点

2.1 硬件结构

采集节点是构成气体监测系统的基本单元。每个采集节点主要由微处理器模块、电源模块、传感模块、节点地址模块、声光报警模块、无线传输模块等组成。作为一项可选功能，还可根据用户的需求增加一个基于液晶或LED数码管的本地显示模块，用于即时显示节点的监测数据。采集节点的硬件结构如图2所示。

本设计中采用成熟稳定的宏晶STC12LE5404AD单片机作为节点的微处理器芯片。为简便起见，采用8位拨片开关作为节点地址模块，通过不同位序的开关组合来确定相应采集节点在RS485通讯中的硬件访问地址，并确保各节点地址在整个系统中的唯一性。声光报警模块在单片机的控制下，可根据监测的数据情况进行闪烁灯光并发出间歇的蜂鸣音，提示用户及时处理险情。无线传输模块将控制器下发的轮询指令通过RS485通讯的形式提交给单片机，单片机分析指令数据，并将传感模块的监测数据经无线模块上报至控制器。至此，便完成了一次数据采集。

在实际应用中，还需要考虑采集节点的防爆问题。因此，本设计采用定制的铝质壳体对节点的电路板和内部元件进行了封装，对传感器探头也进行了相应的处理，以达到安全防爆、安装牢固、运行稳定的目的。在最新的改进型节点中，传感器模块采用了热插拔的形式，大大方便了用户更换传感器的工作，操作过程更加简单。

2.2 下位机程序

下位机程序是在单片机微处理芯片内运行的调度程序，通常使用汇编语言或C语言编写。STC12LE5404AD是一款典型的51系列单片机，而基于C语言在Keil uVision3开发环境下编写的采集节点的下位机程序，则主要实现传感器数据的获取、收发、显示和报警等功能。此外，为了实现和上位机的通讯，本设计还设计了一套基于RS485的通讯协议。控制器和采集节点必须完全按照该协议规定的格式和速率（波特率）进行通讯，才能实现正常的数据采集。具体的下位机程序及通讯协议内容，因篇幅所限在此不再赘述。

3 控制器系统设计

3.1 硬件组成

气体浓度监测的现场控制器主要由人机交互与数据处理模块、低频通信模块、GPRS通信模块、多路继电器模块、声光报警模块和电源模块等组成。其中，人机交互与数据处理模块是控制器的核心内容。控制器系统的硬件组成及相互关系如图3所示。

本设计采用昆仑通态生产的TPC7062K嵌入式一体化工控触摸屏作为人机交互界面。该产品基于一颗主频速度为400 MHz的嵌入式低功耗ARM CPU，并采用了7 in高亮度TFT液晶显示屏和四线电阻式触摸屏，能够很好地完成人机交互与数据处理任务。TPC7062K通过RS485与低频无线模块通信，实现轮询指令的下发和节点数据的接收；同时将接收到的数据转发至GPRS模块，继而远传至监控中心的工作站。此外，TPC7062K还可控制声光报警和继电器模块，分别实现超限报警和启停相关执行机构（如风机）的功能。

为了给控制器系统提供合适的电源，设计采用了220 V转24 V的电压转换器。用户使用控制器时只需接入市电即可。另外，本设计还为控制器配置了一套24 V的备用电池。在市电接入时，控制器自动切换到市电供电模式，并开始给电池充电。若遇到市电停电，控制器将自动切换到电池供电模式，并仍能正常工作3～6 h，从而保障了气体监测的连续性。图4所示是现场控制器的实体图。

3.2 上位机程序

上位机程序基于MCGS组态软件开发，运行于TPC7062K，它是控制器系统的灵魂所在，决定了整个系统的使用价值。图5所示是本系统上位机的系统主界面图。

目前，我国已经制订了关于气体监测报警领域的相关国家标准，如GB16808—1997《可燃气体报警控制器技术要求》、GB12358—90《作业环境气体检测报警仪通用技术要求》、GB50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》等。这些标准详细规定了毒性及可燃气体报警器报警设置的要求和规程。本文所述的气体浓度监测报警上位机程序就是依据这些标准而开发的，完全符合国家标准规定的各项要求。其功能要点主要包括：

（1） 实时显示

上位机系统的主界面大体上分为三个区域：报警显示区、数据显示区和用户控制区。各节点的数据位于数据显示区内。每个节点分别显示相应的节点号、当前浓度数值、节点通讯状态、监测气体类型和气体浓度单位。默认情况下，系统将每隔200 ms的时间依次轮询各个采集节点，并将节点返回的监测数据即时刷新和显示。

（2） 报警锁定

气体浓度报警值分为低报浓度值和高报浓度值。当监测到的气体浓度达到或超过低报浓度值时，将触发低限报警；达到或超过高报浓度值时，将触发高限报警。一旦触发报警，监测数字将显示为深红色，并闪烁跳动；界面上方的报警显示区将循环滚动显示当前的报警节点号和报警类型；控制器上的声光喇叭将不停闪烁并发出报警声。此外，发生报警后，报警探头的浓度数值将被锁定，即只能上不能下，直至节点复位。

（3） 故障区分

在实际应用中，采集节点可能会发生短路或开路故障，或者被拿走进行检修。在此种情况下，系统将自动加以区分。对于短路和开路故障，系统分别将相应的节点号标记为不同的颜色并跳动闪烁，提示用户节点出现的具体故障。某节点被关闭电源取走以后，相应节点号将显示为屏蔽状态，同时该节点的通讯状态将显示为断开。

（4） 探头复位

当有节点的数据超过报警限值时，系统将自动锁定相应节点，直到用户确认排除险情并手动进行复位操作。通过进行复位，系统将把所有被锁定的节点解锁，当前数据即刻显示为实际数值，同时也进行了消声处理。

（5） 事件日志

对于气体监测过程中所发生的报警或故障等事件，系统将自动进行保存。存储的内容包括事件发生的对象、发生的时间、事件的类型、事件发生时的有关数据以及用户对事件的处理情况等。

（6） 设备控制

用户可对与控制器连接的电磁阀和风机等外部设备进行启停控制。外部设备与控制器采用有线连接的方式。

（7） 系统设置

由用户对系统运行所需的各项参数进行设置，主要包括节点数量、轮询周期、低报限值、高报限值、预热时长、气体类型、浓度单位等。这些参数一经设置即会保存，用户只需设置一次。系统设置后将即时生效。

4 结 语

本系统研制完成后在某燃气公司进行了应用。系统上电后，各路探头首先进行了为时2 min的预热自检，自检结束后控制器立即收到了第1路数据，监控中心工作站的界面上也能够同步显示各路数据。在轮询间隔设置为500 ms的情况下，控制器屏幕上的数据刷新非常快，监测的实时性很好。从总体来看，系统运行稳定，各项性能指标均达到了系统设计的要求，尤其是在节点分布较多的情况下，显著减轻了节点安装部署的工作量。当然，本系统仍然存在一些需要继续改进的地方，如节点供电问题、低能耗问题、探头标定问题、通信干扰问题、GPRS信号问题等。今后，还应根据实际应用中出现的新情况对本系统进行不断的改进和完善，使之最大程度地贴近用户需求，满足安全生产的实际需要。

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