生產環(huán)境遠程預警系統(tǒng)設計

陳 磊，王 維

(1.中國石油北京興油工程項目管理有限公司 吉林省分公司，吉林 吉林 132022；2.大連化工集團有限公司，遼寧 大連 210200)

隨著科技的發(fā)展，越來越多的智能產品代替了人工，生產力也大大的加強，與此同時有一個安全生產的環(huán)境也越來越重要.環(huán)境檢測技術系統(tǒng)被廣泛的應用于日常生產和生活中.由于環(huán)境監(jiān)測點通常位置很分散、地理條件很復雜、無人值守等，因此人工抄取各監(jiān)測點數(shù)據(jù)很不方便、執(zhí)行效率很低，且有線方式收集各檢測點數(shù)據(jù)投入大、布線復雜麻煩、傳輸距離有限，很難形成完善的監(jiān)控網(wǎng)；而且布線中存在有短路、斷線等隱患，且成本高、易老化，錯綜復雜的線纜還給系統(tǒng)的調試和維護增加了很大難度.同時對于一些需要臨時使用的傳感器，搭接線路十分不便.因此，無線生產環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足數(shù)據(jù)通信要求、可以解除監(jiān)測現(xiàn)場的線纜搭接復雜困難的困擾，為環(huán)境監(jiān)測帶來了便利[1,2].本文設計了一款基于STC 89C52RC單片機的便攜式無線生產環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).本系統(tǒng)由監(jiān)測終端和探測終端組成，探測終端采用STC89C52RC單片機、無線收發(fā)電路光照、溫濕度及煙霧傳感模塊組成，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度和光照信息的探測以及環(huán)境中有害氣體、煙霧的探測；監(jiān)測終端以STC89C52RC單片機為控制中心系統(tǒng)配有無線收發(fā)電路、液晶顯示及報警電路，可完成與探測終端無線傳輸及顯示報警功能.

1 系統(tǒng)總體結構

監(jiān)測系統(tǒng)由上位機和下位機組成.下位機主要負責環(huán)境信息的采集，上位機完成預警功能.系統(tǒng)主要包括三大模塊：第一模塊是數(shù)據(jù)采集模塊，主要包括：溫濕度采集、光照強度采集和煙霧濃度采集.溫濕度測量采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，單總線輸出數(shù)字量給單片機；光照強度測量采用BH1750傳感器，將采集的數(shù)字信號輸出送入單片機；煙霧濃度測量模塊采用MQ-2傳感器，由于采集輸出的是模擬信號，故采用AD后送入單片機.第二模塊是無線傳輸模塊，主要完成采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸和接收功能.兩個模塊都是采用NordicVLSI公司推出的單片機射頻收發(fā)器nRF24L01作為主控芯片，經(jīng)軟件編程根據(jù)需要可實現(xiàn)其接收發(fā)的功能.第三模塊是數(shù)據(jù)處理顯示模塊，其主要內容是接收模塊經(jīng)nRF24L01將數(shù)據(jù)接收，并傳給接收模塊處理器，單片機處理數(shù)據(jù)后送顯示.系統(tǒng)結構框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)的總體結構框圖

工作原理：采用STC89C52RC單片機作為控制核心，探測端(下位機)可通過按鍵設置各項參數(shù)的界限，通過傳感器檢測將所測溫濕度、光照強度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)送入到單片機，單片機將各個參數(shù)的測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線發(fā)射模塊發(fā)出，監(jiān)測端通過無線接收模塊接收探測端發(fā)來的各項測量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后在顯示屏上顯示，同時，當測量值超過設置界限時，監(jiān)測端啟動聲音報警及短信報警，以此來通知工作人員.

2 硬件電路設計

整個系統(tǒng)由電源電路、光強檢測電路、溫濕度檢測電路、煙霧濃度檢測電路、無線收發(fā)電路、串口電路、GSM短消息電路和顯示報警組成.采集電路采集生產環(huán)境信息，電源電路為整個系統(tǒng)供電，無線通信模塊實現(xiàn)采集信息的傳遞，顯示報警用于顯示測量值并實現(xiàn)超限報警.

2.1 溫濕度檢測電路設計

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器.它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，采用單線制串行接口通信，抗干擾能力強、信號傳輸距離可達20米以上.DHTII的DATA口直接與單片機的IO口相連完成數(shù)據(jù)采集[3].電路如圖2所示.

圖2 DHT11與單片機接口電路圖

2.2 煙霧檢測電路設計

MQ-2煙霧傳感器是一款高靈敏度的氣體檢測傳感器，它被廣泛的用于工農業(yè)的現(xiàn)場氣體檢測當中.由于MQ-2傳感器采集出的信息是模擬信號，因此設計中采用8位逐次逼近模數(shù)轉換器ADC0832模數(shù)轉換器完成煙霧信息采集.在進行單片機和ADC0832的連接時，由于DI和DO并不是同時使用，所以DI和DO可以共用單片機的一條I/O線，再加上一條片選線和一條時鐘線就可以實現(xiàn)單片機和ADC0832連接[4].煙霧檢測電路如圖3所示.

圖3 MQ-2和AD0832與單片機接口電路圖

2.3 光強檢測電路設計

采用內置有16位的模數(shù)轉換器的數(shù)字式光強傳感器BH1750實現(xiàn)光照強度測量.BH1750光強模塊只需與單片機的兩個I/O端口相連即可.將BH1750的I2C總線時鐘引腳SCL接入單片機的P3.6引腳，I2C總線數(shù)據(jù)引腳SDA接入單片機的P3.7引腳即可實現(xiàn)BH1750與單片機的通訊[5].電路原理如圖4所示.

圖4 BH1750光強度模塊與單片機接口電路圖

2.4 無線收發(fā)電路設計

采用nRF24L01完成無線收發(fā)電路設計.nRF24L01工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，內置功率放大器、頻率合成器、調制器和晶體振蕩器等功能模塊，并融合增強型ShockBurst技術，通信頻道和輸出功率可通過程序進行配置.設計時，為防止電壓過高燒毀無線模塊，無線發(fā)射和接收模塊與單片機連接時在電路中加入10K上拉電阻.為簡化設計，探測終端與監(jiān)測終端的無線通信電路均采用相同結構，nRF24L01與探測終端接口電路如圖5所示[6,7].監(jiān)測終端采用P1口實現(xiàn)與無線模塊相連.

圖5 nRF24L01與單片機接口電路圖

2.5 GSM短消息電路設計

系統(tǒng)采用德國西門子公司的GSM通信模塊TC35i將采集到的信息發(fā)送給用戶手機，實現(xiàn)遠程預警功能.TC35i采用標準的AT指令來控制，可工作于900和1800兩個頻段，對AT的指令有很好的執(zhí)行性，支持Text和PDU兩種格式的短消息.單片機采用串口RXD和TXD實現(xiàn)與TC35i模塊之間信息的傳送，但是由于TC35i模塊與PC電路電平不兼容，因此兩者間進行異步串口通信需要經(jīng)由MAX232實現(xiàn)電平轉換[8].GSM模塊與單片機的連接電路如圖6所示.

圖6 GSM模塊與單片機的連接電路

3 軟件設計

探測端主要由單片機、溫濕度采集模塊、光強采集模塊、煙霧濃度采集模等數(shù)據(jù)采集模塊構成，單片機收到采集的數(shù)據(jù)以后，會通過LCD顯示，通過按鍵可設置參數(shù)界限，以及判斷是否進行超標報警，然后無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，探測終端流程如圖7所示[9].

監(jiān)測端由單片機、無線接收模塊、LCD顯示屏和報警電路組成，當收到探測端的數(shù)據(jù)后，單片機會將數(shù)據(jù)送入LCD顯示器上進行實時顯示，并根據(jù)探測端是否發(fā)來報警命令來判斷是否進行聲音報警及短消息預警等功能[10].監(jiān)控終端程序流程如圖8所示.

TC35i的操作主要包括發(fā)送和接收短消息.首先對TC35i進行初始化，在IGT端施加一個超過100 ms的低電平，且電平下降的持續(xù)時間不超過1ms.采用串口發(fā)送測試指令，若登錄網(wǎng)絡失敗則重新進行模塊初始化，直至登錄成功.如果串口顯示OK時說明AT連接已經(jīng)連通，此時就可以輸入AT指令控制模塊工作.采用PDU編碼格式，發(fā)送短信數(shù)據(jù)為：SMSC地址、TP-MTI/VFP、TP-MR、目標地址、TP-PID、TP-DCS、TP-VP、TP-UDL、TP-UD.當建立指定連接且系統(tǒng)接受到“>”字符時，表示連接成功；當發(fā)送完數(shù)據(jù)段時需在信息末尾加入發(fā)送結束標志位.接收消息子程序采用查詢方式判斷當前是否有新的短消息到達，在接收信息時應注意，接收短信的內容是從接收數(shù)據(jù)的第51個字節(jié)開始的.

圖7 探測端的主程序流程圖

圖8 監(jiān)測端的主程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

在燒錄好程序后，檢查電路板是焊接是否正確，是否存在虛焊現(xiàn)象.通電后，對系統(tǒng)進行測試，經(jīng)過調試，該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下的基本功能：

(1) 探測終端可將所采集到的溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度這四項數(shù)據(jù)通過無線模塊上傳給監(jiān)測端并通過LCD1602實時顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息.

(2) 設定好溫度范圍后，當室內溫度大于34 ℃時監(jiān)測端的蜂鳴器會進行聲音報警，并發(fā)出連續(xù)一聲短響，設定當實時溫度低于10 ℃時，監(jiān)測端的蜂鳴器會進行連續(xù)一聲長響報警，當溫度在10 ℃～34 ℃之間時，蜂鳴器不會報警.

(3) 設定好濕度范圍后，當室內濕度大于45%RH時監(jiān)測端的蜂鳴器會發(fā)出連續(xù)兩聲短響的報警，設定當室內濕度低于12%RH時，監(jiān)測端的蜂鳴器會進行連續(xù)兩聲長響報警，當溫度在12%～45%之間時，蜂鳴器不會報警.

(4) 設定好煙霧度上下限后，當室內煙霧大于5 000 ppm時監(jiān)測端的蜂鳴器會發(fā)出連續(xù)三聲短響的報警，設定當室內煙霧濃度低于400 ppm時，監(jiān)測端的蜂鳴器會進行連續(xù)三聲長響報警，當煙霧濃度在400 ppm～5 000 ppm之間時，蜂鳴器不會報警.考慮到實際情況，煙霧濃度監(jiān)測只設置上限即可.

(5) 設定好光強范圍后，當室內光照強度大于500Lx時監(jiān)測端的蜂鳴器會發(fā)出連續(xù)四聲短響的報警，設置當室內光強照度低于50Lx時，監(jiān)測端的蜂鳴器會進行連續(xù)四聲長響報警，當光照強度在50Lx～500Lx之間時，蜂鳴器不會報警.

(6) 工作人員可以通過程序設置測量的參數(shù)范圍，也可以通過探測端的按鍵隨時設置測量的參數(shù)范圍.

(7) 當發(fā)現(xiàn)異常時，工作人員的手機可以接收到來自生產現(xiàn)場的短信通知.

5 結 論

本設計研究了基于STC89C52RC單片機的無線生產環(huán)境遠程預警系統(tǒng)設計.本設計采用無線通信技術實現(xiàn)對生產環(huán)境信息的實時監(jiān)測，解決了有線環(huán)境監(jiān)測布線復雜、監(jiān)測信息傳輸不及時等現(xiàn)象，便于監(jiān)測人員可隨時隨地監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境；并且采用多傳感器融合技術避免了廠區(qū)環(huán)境的漏報現(xiàn)象，為擁有一個安全的生產環(huán)境提供了保障，為企業(yè)最大限度地降低了險情經(jīng)濟損失.經(jīng)過測試，該系統(tǒng)功能豐富，反應靈敏，運行性能良好.