基于GPRS的太陽能可燃氣體探測器設計

關(guān)明陽

（公安部沈陽消防研究所 遼寧省沈陽市 110034）

自1963年國內(nèi)建成第一條輸氣管道巴渝線以來，經(jīng)過50 余年的發(fā)展，我國天然氣管網(wǎng)建設取得了巨大的成就，天然氣主干管道已經(jīng)覆蓋除西藏外的所有省份。預計到2020年天然氣消費量將達到3600*108m3，因此加快天然氣管網(wǎng)建設，擴大管網(wǎng)規(guī)模和覆蓋范圍，將能更好的滿足市場需求，也是保障我國經(jīng)濟發(fā)展和民生的重要手段。預計2020 至2025年器件將新建5.9*104km，同時還有大量的區(qū)域性管網(wǎng)建設[1]。天然氣管道具有管徑大、運距長、壓力高、輸量大的優(yōu)勢，但是如果發(fā)生事故，將會給人們的生產(chǎn)生活造成很大的影響。一旦發(fā)生事故首先是天然氣泄漏造成的損失，其次是泄漏天然氣造成的起火、爆炸等二次傷害，每年都有因管道泄露造成人們財產(chǎn)損失和人員傷亡的報道。根據(jù)新聞報道2017年7月2日，貴州晴隆天然氣管道燃燒爆炸事故造成8 人死亡，35 人受傷，其中重傷8 人，危重4 人。

為減少天然氣管道事故的發(fā)生，需要實時采集管道閥室區(qū)域內(nèi)的天然氣濃度數(shù)據(jù)，在發(fā)生天然氣泄漏的第一時間獲得濃度信息，為后續(xù)處理、搶險提供數(shù)據(jù)依據(jù)。因此設計了基于GPRS 的太陽能可燃氣體檢測系統(tǒng)，不用長距離鋪設電源、通訊管線，便于安裝，利于維護，并將可燃氣體濃度等信息通過GPRS 無線信號實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，以便在控制室監(jiān)控電腦上可以實時觀測到數(shù)據(jù)信息。下面將詳細介紹探測器的具體設計。

1 探測器系統(tǒng)總體設計

探測器需要采集閥室可燃氣體濃度、GPS 定位、閥室門禁開關(guān)等信號并分析、整理和上傳至服務站，服務站將所有探測器的數(shù)據(jù)進行收集、驗證和暫存，然后傳輸至上位機監(jiān)控軟件將結(jié)果通過圖形、圖像、列表、地圖等直觀的方式顯示在電腦、移動終端的屏幕上，并通過關(guān)聯(lián)手機號碼將信息及時下發(fā)給相關(guān)負責人及時處理。探測器具有數(shù)據(jù)采集、定位、數(shù)據(jù)上傳、顯示、聲光報警等功能，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 探測器硬件設計

2.1 處理器

處理器是探測器的控制核心，其性能需要滿足檢測的實時性，需要足夠的處理能力縮短時間延遲，包括需要浮點運算完成的計算算法；需要足夠的FLASН 存儲空間完成報警、故障記錄的保存；需要DAC 輸出可調(diào)電壓用于傳感器調(diào)零；需要足夠的通訊接口完成無線模塊接口、顯示接口、調(diào)試接口的數(shù)據(jù)交互；需要足夠的IO 口完成聲光報警、按鍵、門禁開關(guān)等信號的控制，綜合以上的需求本設計采用ST 公司的高性價比處理器STM32F103RET6[2]。STM32F103RET6 主頻高達72MНz，采用了高性能的Cortex-M3 內(nèi)核，可以讓MCU 實現(xiàn)更高的性能，更低的功耗和更多實時的應用[3]。內(nèi)部FLASН 空間為512K，可以滿足2000 條報警記錄和2000 條故障記錄保存的需求。處理器的USART1 和USART2 口與無線模塊連接，SPI 口與A/D 采集芯片連接，USART3 與顯示接口相連，另有GPIO 口和按鍵、門禁開關(guān)以及聲光報警交互。

2.2 通訊模塊

圖1：探測器系統(tǒng)框圖

通訊模塊是探測器的重要組成部分，它把GPRS 和Internet 連接起來實現(xiàn)無線通訊，在本設計中采用上海移遠公司的MC20CE模塊。MC20 模塊采用聯(lián)發(fā)科技最新推出的多功能通信定位芯片研制而成。它是一款集成 LCC 封裝、四頻段 GSM/GPRS 和先進算法 GNSS 引擎于一體的全功能通信模塊。MC20 內(nèi)嵌了豐富的TCP、UDP 等網(wǎng)絡協(xié)議，還集成了多星座衛(wèi)星系統(tǒng)（如北斗、GPS、QZSS ），可以提供無線移動通信以及精準的導航定位功能。本設計通訊模塊部分原理圖如圖2 所示。其中外圍只需要簡單加上SIM 卡槽和天線接口，然后通過處理器的USART1 和MC20 模塊進行GPRS 信息交互，USART2 和MC20 模塊進行GPS 信息交互。開機初始化通訊模塊時通過AT 指令將MC20CE 配置成透傳模式[4]，后續(xù)工作中即可根據(jù)協(xié)議隨時上傳相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.3 傳感器部分電路

傳感器部分電路包括傳感器前端、放大電路和A/D 采樣電路三部分。本設計傳感器采用接觸燃燒式氣體傳感器NAP-55A，其工作原理是:氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量電阻變化從而測量氣體體積分數(shù)。這種傳感器只能測量可燃性氣體，對非可燃性氣體不敏感。例如在Pt 絲上涂敷活性催化劑Rh 和Pd 等制成的傳感器可以檢測各種可燃性氣體。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行監(jiān)測[5]。

NAP-55A 傳感器是日本根本特殊化學株式會社生產(chǎn)的催化燃燒式可燃性氣體傳感器。其敏感部分電阻值隨周圍可燃性氣體體積分數(shù)變化，非敏感部分電阻值和可燃性氣體體積分數(shù)無關(guān)。該傳感器采用恒壓供電，工作電壓(2.5±0.25)V，工作電流150mA ～170mA。傳感器輸出微弱信號需要經(jīng)過低噪聲運放進行信號調(diào)理，相關(guān)部分原理圖如圖3 所示。

前端低噪聲運算放大器采用MAXIM 公司的MAX44251AKA+雙運放，它是一個超高精度、低噪聲、低漂移軌對軌運算放大器，具有極佳的性能指標：6μV (最大值)失調(diào)電壓、19nV/℃(最大值)漂移、0.1Нz 至10Нz 范圍內(nèi)噪聲為123nVP-P，可理想用于超低噪聲、超高精度的應用。

經(jīng)過信號調(diào)理的模擬信號須通過ADC 采樣電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字型號，才能進行后續(xù)的計算，由于數(shù)字芯片內(nèi)部集成的ADC 通常只有10 位或者12 位，無法滿足系統(tǒng)的精度要求，因此需要再處理器外部擴展高精度、高速ADC 方案。本設計采用的ADC 是ADI 公司推出的18 位SAR 型高速ADC。它的主要技術(shù)特點[6]有：

圖2：探測器通訊模塊部分原理圖

（1）18 位分辨率，采樣率高達400kSPS；

（2）點型INL 為±0.75 LSB，最大INL 為±1.5 LSB；

（3）單5V 電源供電，兼容1.8V/2.5V/3.3V/5V 邏輯接口電平；

（4）串行數(shù)字接口，兼容SPI/QSPI/MICROWIRE ?標準。

本設計中處理器采用SPI 接口與AD7690 進行數(shù)據(jù)采集。

2.4 太陽能供電系統(tǒng)

由于探測安裝在比較偏遠的野外，如果采用常規(guī)電源供電方式需要架設電線，一方面會造成資金的極大浪費，另一方面對于管道閥室也是一個安全隱患，因此探測器采用電池組的供電方式。常規(guī)電池組對于后期維護是一個極大的要求，特別對于野外的場景，定期更換電池組需要較大的人力資源，考慮到實際情況，探測器采用太陽能供電系統(tǒng)。太陽能是綠色清潔能源，采用該種供電方式有利于能源節(jié)約。太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、電池組組成，太能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池組中[7]，為探測器提供電能。

圖3：傳感器信號調(diào)理部分原理圖

圖4：探測器軟件流程圖

為保證探測器工作的穩(wěn)定性，使其在陰雨、下雪等惡劣天氣環(huán)境下也能正常工作，電池組容量應該能夠滿足探測器持續(xù)7d 的正常供電。從電池容量密度和環(huán)境適應性上考慮，本設計采用了三元鋰電池組。三元鋰電池電壓為3.7V，相對磷酸鐵鋰電池的3.2V 具有更高的密度，其能量密度基本能達到200WН/kg，幾乎是磷酸鐵鋰電池120WН/kg 的1.7 倍。在抗低溫上，三元鋰電池低溫使用下限值為零下30 度，相比磷酸鐵鋰電池低溫下限值零下20 度更有優(yōu)勢，同時在相同低溫條件下，三元鋰電池冬季衰減不到15%，明顯高于磷酸鐵鋰電池衰減高達30%以上。為防爆設計電池組采用雙重保護板設計。

太陽能電池組件輸出的電能隨太陽的光照起伏非常大，無法直接進入探測器工作和對電池組充電，中間增加了太陽能控制器。在白天太陽能控制器將太陽能板輸出的電能存儲在電池組中，同時供給給負載使用，當電池組電量達到規(guī)定限度時，停止對電池組充電，防止電池組過充；晚上將蓄電池存儲的電能供給探測器使用，同時防止反充電路對太陽能板進行充電，當電池組電量不足時，及時切斷供電電路，防止電池組過放，從而起到保護電池組的作用[8-9]。

2.5 輸入輸出接口

探測器除通過GPRS 將數(shù)據(jù)上傳到服務站外，現(xiàn)場保留有聲光報警單元、按鍵、顯示屏以及外接的門禁模塊。為降低探測器功耗，門禁采用磁敏常閉模式，即正常門關(guān)閉的情況下，采集部分是斷開不消耗電能的，而門被打開后才觸發(fā)報警消耗電能。為方便現(xiàn)場操作，按鍵采用磁敏霍爾開關(guān)，通過磁棒不用拆防爆外殼即可進行操作。報警單元采用光亮度、大分貝的隔爆型聲光報警器，通過NPT3/4 管螺紋進行連接。顯示屏采用128*64 點陣式顯示，在一段時間沒有按鍵操作時將關(guān)閉顯示屏背光為降低探測器功耗。

3 探測器軟件設計

處理器開機上電后首先進行初始化，然后讀取先驗數(shù)據(jù)表，為后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合和補償做準備，并為數(shù)據(jù)的判斷提供依據(jù)。具體軟件流程圖如圖4 所示。

軟件處理的核心在于氣體濃度數(shù)據(jù)的處理以及GPRS 輸出的傳輸，為了降低探測器的功耗，輸出上傳采用兩種發(fā)送模式即實時發(fā)送模式和心跳發(fā)送模式。在可燃氣體濃度不為0、門禁打開或有系統(tǒng)故障、電池電壓低于報警值的時候，探測器GPRS 進入實時發(fā)送模式，不間斷的進行數(shù)據(jù)上傳，同時現(xiàn)場發(fā)出雙光報警直至氣體濃度為0 和故障排除。而在正常工作期間，GPRS 按照協(xié)議規(guī)定的心跳包時間間隔進行定時發(fā)送，一方面極大的降低探測器功耗，一方面在監(jiān)控主機上可以方便看出探測器終端是否離線。

在現(xiàn)場也可以用配套磁棒需要進行探測器設置和數(shù)據(jù)查詢等操作，可以對傳感器進行零點和量程的標定、探測器ID 的設定、是否使用門禁以及門禁方式的設置等操作。也可通過菜單進行歷史報警、故障數(shù)據(jù)的查詢。

4 結(jié)果與結(jié)論

本文設計的基于GPRS 無線通信的方式使得探測器不用通訊線的連接，避免長距離架設線纜造成的人力物力浪費，太陽能供電系統(tǒng)既避免了鋪設電力線纜的工程有節(jié)約了能源，避免后期維護定期更換電池的人工資源。催化燃燒式傳感器、低噪聲運放和高精度ADC 的引入保證了前端數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，并可滿足后續(xù)計算的需要。高性能32 位STM32 微處理器的應用便于協(xié)調(diào)外圍電路完成待測氣體濃度的計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送、按鍵輸入、LCD 顯示、門禁信號采集、聲光報警控制等，并實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在實際管道閥室安裝中十分順利，在完成氣體校準后持續(xù)穩(wěn)定無誤運行了較長時間，滿足現(xiàn)場使用的要求。