基于無線HART協(xié)議的可燃氣體報警儀設計

胡彬特，王亞剛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于無線HART協(xié)議的可燃氣體報警儀設計

胡彬特，王亞剛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

為解決工業(yè)現場可靠監(jiān)控可燃性氣體的問題，提出一種基于WirelessHART協(xié)議設計的可燃氣體報警儀,對可燃性氣體實現監(jiān)測并實時響應。該報警儀采用MSP430芯片作為主控芯片，通過多種功耗模式實現報警儀的低功耗運行，利用被動檢測法使傳感器快速檢測出可燃氣體，并采用WirelessHART協(xié)議將數據發(fā)送至無線HART網關，實現控制終端與現場設備的雙向無線通信。通過實驗測試，表明該設計可快速檢測出可燃性氣體并實現數據的可靠無線傳輸。

WirelessHART；可燃性氣體檢測；MSP430F5438A；電量監(jiān)測

工業(yè)生產制造中會大量涉及到可燃性易揮發(fā)氣體的制造、儲存與運輸，每年有關可燃性氣體的事故也不在少數。這就使得從行業(yè)標準上必須要求對可以預測的危險進行防范[1]。我國已經建立起了一套較為完整的對可燃性氣體檢測和報警的標準體系，國內外檢測類的儀表也在快速發(fā)展。本文通過設計一種基于WirelessHART協(xié)議的可燃性氣體報警儀來實現工業(yè)現場快速檢測可燃性氣體并輸出報警信號，通過高可靠性的無線傳輸方式實現報警儀的安裝位置可變、快速簡易自組網與低成本可靠運行。

1 WirelessHART技術

WirelessHART協(xié)議由HART基金會于2007年發(fā)布[2]，它是第一個應用在過程工業(yè)的可開放互操作的無線通訊標準，實現了工業(yè)級別的可靠、實時、安全的無線通訊方式。除了兼容現有HART設備、命令和工具，它還使HART協(xié)議增添了無線功能。每個WirelessHART網絡主要包括現場設備、網關/網絡管理器、安全管理器和上位機等部分。WirelessHART標準工作于開放的2 400 ～ 2 483.5 MHz的ISM頻段，數據傳輸速率可達250 kbit·s-1。該頻段有16個信道，數據傳輸過程結合了IEEE 802.15.4的直接序列擴頻(DSSS)射頻技術和基于數據報的跳信道技術[3]?；赪irelessHART技術的儀表擁有先天的優(yōu)勢，它在傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號上疊加了數字HART信號，將儀表內的診斷、校準與設備組態(tài)等信息充分利用，使基于WirelessHART協(xié)議的智能儀表與主控制設備之間的通訊得以連接。

2 硬件結構與工作原理

本文設計的氣體報警儀主要由電源模塊、電量監(jiān)測模塊、單片機模塊、溫濕度采樣模塊、氣體檢測模塊、WirelessHART模塊、液晶顯示模塊和聲光報警模塊組成[4]。其工作原理為：電壓轉換電路為系統(tǒng)提供各種工作電壓，信號調理電路對氣體傳感器采集到的氣體-電信號進行放大、補償和校準，然后經A/D轉換后通過主控芯片在液晶上顯示所需的信息，并通過無線HART模塊發(fā)送數據至中間節(jié)點，最后再傳輸至網關給上位機使用。報警儀選用MSP430F5438A[5]作為主控芯片，它是一款16位超低功耗單片機，能夠滿足無線HART協(xié)議的要求。該款單片機提供4種工作模式，可以靈活調整對應的工作要求，大幅提高電池的使用壽命，其休眠模式只消耗幾μA的電流，即使正常工作模式也僅消耗230 μA電流[6]。報警儀的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.1 氣體檢測模塊

目前，可燃性氣體的檢測可分為主動檢測法和被動檢測法。主動檢測法，就是將待檢氣體充入密閉空間，用理化方法對氣體成分進行分析。被動檢測法不需要人的參與，檢測元件與被測氣體直接進行理化反應，將氣體濃度轉換成對應電信號輸出。報警儀原型使用被動檢測法[7]，選用SolidsenSe公司的4LEL型可燃氣體傳感器和4SPEO2型氧氣傳感器來設計完成。

可燃氣體傳感器的信號調理用電橋感知信號來轉換輸出[8]。傳感器工作時，檢測端分別用兩個阻值相等的電阻搭成惠斯通電橋，當環(huán)境中有可燃氣體時，原本平衡的電橋就會失衡，可燃氣體接觸到電阻R8上的催化劑并在其催化作用下發(fā)生無焰燃燒[9]，產生的熱量使測量元件溫度升高，電阻增大，補償元件R9表面卻沒有進行催化反應[10]，如圖2所示，GAS+、GAS-兩點形成的電壓差與氣體濃度成正比，得出的信號給放大電路放大，然后軟件校準后得出的電壓與電壓比較器的預設值比較，最后判斷是否報警。

對于氧氣傳感器的信號調理，由于傳感器對電極和參考電極的阻抗在恒電位電路U1:1內，因此無論傳感器的電流給定多少，電位總是鉗位于定值。U1:2則是電流-電壓轉換電路，電流從傳感器工作電極輸出經過負載R5轉換成電壓，并由IC2放大，生成電壓輸出信號[11]。

圖2 傳感器接口電路

2.2 電量監(jiān)測模塊

為使報警儀的安裝范圍更廣， WirelessHART設備使用9 V電池供電，通過LP38692系列的CMOS低壓降線性穩(wěn)壓器產生5 V、3.3 V、2.3 V電壓供系統(tǒng)使用。電池為了維持電壓預防最后會突然枯竭能量，報警儀選用BQ28400芯片[12]來進行電量檢測。該芯片能夠對硬件電路實現監(jiān)測和控制，做出快速調整來完成電路的平衡優(yōu)化。電池由PACK+、PACK-接入電路，正極經由兩只對稱串聯的P溝道增強型MOSFET Si7409AND向外提供能量，負極中串聯0.01 Ω的精密電阻，用于電流過采樣。對于高側保護場效應管Q1和Q2，應根據實際情況，選擇合適的電阻值，以匹配其開啟電壓。Si7409AND的開啟電壓為0.6 V，根據BQ28400的參考手冊，R6/R7應選擇5.1 kΩ的電阻，但在實際調試中發(fā)現，其開啟電壓只有0.55 V，小于Si7409AND的開啟電壓，Q1和Q2皆未導通，芯片BAT引腳和PACK引腳未能正常供電，芯片無法正常工作。當將電阻R6/R7換成10 kΩ后，開啟電壓達到0.65 V，Q1和Q2正常導通，電路工作正常。電路圖設計如圖3所示。

圖3 電量檢測電路

2.3 WirelessHART傳輸模塊

報警儀選用RFM公司推出的基于DUST Network的SmartMesh IA-510(H)TM技術的無線收發(fā)模塊，該模塊兼容WirelessHART網絡，其最顯著的優(yōu)點就是功耗低且通信可靠性高。為實現高可靠性通信以及低延時和有效的能量管理，該模塊采用了自動優(yōu)化網絡和智能路由技術。在電池供電系統(tǒng)、低功耗電路以及回路取電電路中，使用XDM2510H模塊可以提高網絡的魯棒性。最關鍵的是該模塊不需要嵌入式編程，節(jié)省了大量的開發(fā)周期。

圖4 無線HART收發(fā)電路

3 無線可燃氣體報警儀的軟件設計

軟件部分包括系統(tǒng)初始化設置、節(jié)點入網、參數設置、氣體和溫濕度數據采集、信號調理、電量監(jiān)測。初始化設置是為了配置系統(tǒng)時鐘和功耗等級，以及設置單片機選型；節(jié)點入網程序來完成網絡參數的設置以及節(jié)點的入網、數據的收發(fā)和處理；參數設置部分通過按鍵電路實現；氣體和溫濕度數據的采集部分就是對氣體和溫濕度數據進行模數轉換；信號調理是針對氣體傳感器設計的，預先對內部的數據進行設置，讓寫入的參數對氣體信號進行補償[13]，提高電路精度；電量監(jiān)測部分是通過發(fā)送命令讀取電池的相關參數，并與報警值比較，以此來判斷和顯示電池目前的使用狀況。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件設計流程圖

菜單設置選項中，需要設定量程、報警值、LCD開啟頻率、測量數據的更新速率、發(fā)送速率、設備ID、入網秘鑰及是否更新檢索或診斷設備產生的數據。報警儀在設置完菜單后，需要校驗報警儀，修正傳感器的零點。報警儀在啟動后，顯示屏依次顯示氣體類型、量程、報警值，隨后便開始檢測。當氣體濃度超過設定值時，報警器發(fā)出警報聲，LED燈閃爍。當氣體濃度低于設定值時，報警器關閉警報聲，LED燈亦熄滅。

報警儀的XDM2510H無線模塊[14]的成功運行是本設計的關鍵，其主要有初始化、空閑、搜索、會話、連接、運行、斷開這7個狀態(tài)，其狀態(tài)轉換圖如圖6所示。要想使節(jié)點加入網絡，需要進行如下操作：

(1)初始化單片機的UART模塊，使XDM2510H與單片機進行串口收發(fā)數據，通過串口發(fā)送一個啟動包給MCU，MCU收到后返回一個確認包，此時XDM2510H停止發(fā)送啟動包；

圖6 XDM2510H狀態(tài)轉換圖

(2)配置模塊的網絡參數：，節(jié)點加入網絡的ID；，加入具體網絡的密鑰；，節(jié)點模塊的物理地址；，節(jié)點將自身同步到其他網絡設備所用的偵聽時間占整個sleep時間的比例，該參數設置范圍為0～255，對應著0%～100%，該值越大對應的搜索網絡設備的時間越短，耗能也越多，考慮功耗，本處設置為0x80，相當于50%；，設置HART設備的狀態(tài)，有啟動、報警等狀態(tài)；，MCU計算更新電池壽命后發(fā)送給XDM2510H；

(3)發(fā)送Join命令來加入網絡，在XDM2510H收到這條命令后，如果加入成功，則返回確認報。網關在收到節(jié)點的加入請求后，會自動執(zhí)行操作，使節(jié)點進入運行狀態(tài)。發(fā)送GetMoteStatus命令，用于監(jiān)測節(jié)點當前狀態(tài)處于運行時，再發(fā)送請求命令，若成功，則加入結束，此時就可用Send命令向網關發(fā)送數據。

4 測試結果

為測試報警儀的數據收發(fā)性能，需要對報警儀進行通信測試。報警儀基于編程環(huán)境IAR、網關監(jiān)測whconsole.exe、節(jié)點監(jiān)測whconfig.exe以及串口調試助手。通信網絡由上位機(網關監(jiān)測whconsole.exe、節(jié)點監(jiān)測whconfig.exe)、DUST網關以及由報警儀等設備構成的無線節(jié)點組成，當WirelessHART可燃氣體報警儀成功加入無線HART網絡后，上位機通過Admin Toolset可以查看網絡的狀態(tài)并設置網絡。

當報警儀加入網絡后，便可實現其向網關傳輸數據，也可獲得從網關而來的命令并執(zhí)行。測試時，節(jié)點標識用 MIC地址區(qū)別，在上位機whconfig.exe上發(fā)送測試字符串“This is a test”給網關，網關返回十六進制數據“54 68 69 73 20 69 73 20 74 65 73 74”。不選Hex Mode模式時，返回ASCII數據，顯示“This is a test”。通信結果如圖7和圖8所示，表明通訊良好可靠。

圖7 節(jié)點上位機WHConfig.exe發(fā)送數據

圖8 網關上位機WHConsole.exe接收數據

5 結束語

本文針對可燃性氣體的報警儀提出了一種基于無線HART協(xié)議的原型設計，可實現無線網絡中的通信，而基于WirelessHART協(xié)議的無線工業(yè)儀表是現階段由高可靠性、高實時性、低成本特性決定的最優(yōu)選擇。由于實際工況的復雜性，設計完成的報警儀仍需針對特定可燃氣體、特定環(huán)境，進行性能測試，如精度測試、可靠性測試、電磁兼容測試等，因此仍有大量后續(xù)工作。報警儀的無線通信距離以及在不同傳感器的選型上可以繼續(xù)優(yōu)化[15]，網絡管理器端的上位機還未獨立開發(fā)出產品級的網關與可視化效果更好的軟件，這些都是后續(xù)可以展開的工作。

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Design of the Combustible Gas Detector Based on WirelessHART

HU Binte1, WANG Yagang2

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In order to solve the problem that how to monitor the combustible gas reliably in the industrial field, a solution is presented to realize reliably monitoring and response in real-time by using the combustible gas detector based on WirelessHART. The detectors use MSP430 chip as the main control chip. A variety of the power mode can make the detector realizing the low power operation. The sensor can detect the combustible gas rapidly using the passive detection, then the detector using the WirelessHART protocol spends these data to WirelessHART gateway. The detector can realize bi-directional wireless digital communication between WirelessHART instruments and control terminal. The experiment indicates that the combustible gas can be quickly detected and the wireless transmission of the data can be realized reliably.

WirelessHART; combustible gas detection; MSP430F5438A; power monitoring

2016- 05- 21

胡彬特(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：工業(yè)物聯網。王亞剛(1967-)，男，博士，教授，碩士生導師。研究方向：工業(yè)過程控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.009

TP212

A

1007-7820(2017)04-036-04