城市污水管道氣體監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟慶龍，顧 然，徐 梅

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省計(jì)算中心（國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心），山東 濟(jì)南 250014；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

0 引 言

城市污水管道中污水的來(lái)源很多，其成分也很復(fù)雜。它們?cè)谖鬯艿纼?nèi)會(huì)發(fā)生多種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成多種氣體，如：CH、HS、NH、CO、HCN、O和NO等。其中HS是一種有毒氣體，它能損害人體的呼吸系統(tǒng)，造成細(xì)胞組織嚴(yán)重缺氧，甚至危及生命。高濃度的HS氣體能瞬間使人嗅覺(jué)減退，無(wú)法察覺(jué)危險(xiǎn)，當(dāng)濃度超過(guò)1 000×10時(shí)可瞬間致人死亡。此外，HS氣體還會(huì)腐蝕管道。CH是一種可燃?xì)怏w，在污水管道中的濃度太高，遇明火或者電火花極易爆炸，被稱為城市的“隱形炸彈”。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些隱患并采取措施避免災(zāi)害的發(fā)生，需要設(shè)計(jì)一種城市污水管道氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[1?2]設(shè)計(jì)了污水管道可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了多種氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了氣泵采樣的新方法，并結(jié)合液位的測(cè)量對(duì)采樣進(jìn)行控制，使得監(jiān)測(cè)終端更加安全。

本文設(shè)計(jì)在系統(tǒng)架構(gòu)和通信方式上參考了文獻(xiàn)[4?7]，系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)測(cè)中心兩部分組成。監(jiān)測(cè)終端通過(guò)各種氣體傳感器測(cè)量氣體的濃度，并通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種氣體的濃度顯示出來(lái)，并存儲(chǔ)分析和打印。下文主要介紹監(jiān)測(cè)終端的結(jié)構(gòu)、原理和功能。

1 監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)

本文在終端的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[8?11]，設(shè)計(jì)氣泵采樣機(jī)構(gòu)，并根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。

1.1 整體設(shè)計(jì)

污水管道分布在城市的大街小巷，但大多沒(méi)有電源，所以使用太陽(yáng)能供電是最佳選擇。本文根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)設(shè)監(jiān)測(cè)井，立固定桿；再將太陽(yáng)能板和終端箱固定在固定桿上，將取氣管和水位傳感器投入監(jiān)測(cè)井內(nèi)。終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 終端結(jié)構(gòu)圖

終端除了測(cè)量氣體濃度，還測(cè)量污水水位。污水水位也是人們所關(guān)心的，如果污水溢出，將會(huì)給生產(chǎn)生活帶來(lái)很大的影響，同時(shí)也影響氣體的測(cè)量。水位的測(cè)量多采用24 V兩線制的感壓型投入式水位變送器。由于污水中的固體物質(zhì)容易堵塞變送器的進(jìn)水孔，所以可以用具有一定容積的橡膠囊對(duì)水位變送器加以保護(hù)，并定期更換。太陽(yáng)能板采用常用的18 V太陽(yáng)能板。終端箱含有12 V電池，并能自動(dòng)控制其充放電。為減少電源損耗，終端箱以間斷方式運(yùn)行，其周期可人工設(shè)定。終端箱有工作和休眠兩種狀態(tài)，工作時(shí)給水位變送器供電，測(cè)量水位。如果水位低于取氣管入口，則給取氣泵供電取氣，并同時(shí)給氣體傳感器供電預(yù)熱，再給GPRS通信模塊供電，使其與監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器建立連接。一段時(shí)間后讀取氣體傳感器，并將讀到的數(shù)值發(fā)送給GPRS模塊，發(fā)送完畢后，關(guān)閉各部分電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

1.2 終端箱內(nèi)部設(shè)計(jì)

終端箱是終端的關(guān)鍵部分，內(nèi)部包括控制器、取氣泵、采樣盒、多種氣體傳感器、GPRS模塊、電池、充電模塊等，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 終端箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電源轉(zhuǎn)換和充電電路參考文獻(xiàn)[12?13]。其中控制器是核心部件，可輸入12 V電源進(jìn)行降壓和升壓，為自身和其他部件提供電源，并能控制這些電源，在休眠時(shí)將它們關(guān)斷。水位變送器輸出的是4~20 mA的電流信號(hào)，控制器的AI1是能夠接收4~20 mA的模擬量輸入通道。甲烷傳感器和硫化氫傳感器輸出的是0~5 V的電壓信號(hào)，AI4和AI5是電壓型的模擬量輸入通道?？刂破髋cGPRS模塊的連接使用RS 485總線。GPRS模塊上電后自動(dòng)連接監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器，并進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ健？刂破髦苯影l(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器。服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)設(shè)置于GPRS模塊中。控制器具有一個(gè)RS 232通信接口，用于連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，這些參數(shù)包括：終端編號(hào)、正常間隔、快發(fā)間隔、水位參考點(diǎn)、水位變送器量程、甲烷零點(diǎn)、甲烷量程、硫化氫零點(diǎn)、硫化氫量程、水位上線、甲烷上限、硫化氫上限和日期時(shí)間等。

1.3 控制器的設(shè)計(jì)

上述控制器的功能采用單片機(jī)和相關(guān)接口電路實(shí)現(xiàn)。控制器包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、模擬量輸入電路、RS 232接口電路、RS 485接口電路、電源升壓電路、電源降壓電路、開(kāi)關(guān)電路。單片機(jī)使用TI公司的MSP430F5438，它具有16路12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4路串行通信接口、支持JTAG，可以在線調(diào)試。模擬量輸入電路分為電流方式和電壓方式兩種，每種各3路。RS 232接口電路采用芯片MAX232EESE，RS 485接口電路采用芯片SN65HVD1781?Q1。電源升壓電路采用芯片SX1308將12 V升到24 V。降壓電路使用TPS5430DDA將12 V降為5 V，使用線性穩(wěn)壓器HT7333?1從5 V得到3.3 V電源，用于單片機(jī)。開(kāi)關(guān)電路由2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成，一個(gè)N溝道的AO3400和一個(gè)P溝道的AO3401。此外，還有一個(gè)發(fā)光二極管，用于指示控制器的狀態(tài)。

2 監(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[14]。監(jiān)測(cè)終端的軟件包括以下幾個(gè)部分：初始化、水位的測(cè)量、氣體濃度的測(cè)量、數(shù)據(jù)上發(fā)、設(shè)置指令處理和定時(shí)休眠。程序流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)終端的軟件程序流程

該軟件用到了MSP430F5438的以下幾個(gè)功能模塊：實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、ADC、UART0、UART1。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊用于實(shí)現(xiàn)日期和時(shí)間及程序中的各種定時(shí)操作。ADC模塊將水位變送器和氣體傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便于單片機(jī)的后續(xù)計(jì)算。UART0用于連接計(jì)算機(jī)，處理各種參數(shù)設(shè)置指令。UART1連接GPRS模塊，用于向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。這些模塊在使用前要進(jìn)行必要的設(shè)置，如定時(shí)時(shí)間間隔、ADC的參考源和UART的波特率等，它們的設(shè)置程序也叫初始化程序，具體步驟如下：

//初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘

void init_RTC（）

{

RTCPS0CTL|=4<<2；//設(shè)置預(yù)分頻系數(shù)，使RTC每1/1 024 s中斷一次

RTCPS0CTL|=1<<1； //使能預(yù)分頻器中斷

RTCCTL1 &=~（1<<6）； //啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘

RTCCTL1|=1<<5；//設(shè)置成實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式，而非32位計(jì)數(shù)模式

RTCCTL0|=1<<4；//RTCRDY中斷使能，用于刷新時(shí)間和日期

}

//初始化ADC：

void initADC（）

{

P6SEL|=0x7F； //使能ADC通道0至通道6

ADC12CTL0 &=~ADC12ENC； //設(shè)置前關(guān)閉ADC

ADC12CTL0=ADC12SHT02 //設(shè)置ADC時(shí)鐘

+ADC12MSC //多通道順序轉(zhuǎn)換

+ADC12REF2_5V //選擇2.5 V參考源

+ADC12REFON //打開(kāi)參考源

+ADC12ON； //打開(kāi)ADC

ADC12CTL1=ADC12SHP //使用采樣定時(shí)器

+ADC12CONSEQ_1； //多通道順序模式

ADC12MCTL0=C12SREF_1+ADC12INCH_0；//設(shè)置通道0參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL1=C12SREF_1+ADC12INCH_1；//設(shè)置通道1參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL2=C12SREF_1+ADC12INCH_2；//設(shè)置通道2參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL3=ADC12SREF_1+ADC12INCH_3；//設(shè)置通道3參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL4=ADC12SREF_1+ADC12INCH_4；//設(shè)置通道4參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL5=ADC12SREF_1+ADC12INCH_5；//設(shè)置通道5參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12MCTL6=ADC12SREF_1+ADC12INCH_6+ADC12EOS； //設(shè)置通道6參考源和存儲(chǔ)地址

ADC12CTL0|=ADC12ENC； //打開(kāi)ADC

ADC12IE|=ADC12IE6； //中斷使能

}

//初始化串口0

void init_com0（void）

{

P3SEL|=0x30； //使能RXD0、TXD0管腳

UCA0CTL1|=UCSWRST； //復(fù)位模式

UCA0CTL1|=UCSSEL_2； //選擇時(shí)鐘SMCLK

UCA0BR0=6； //以下兩句設(shè)置波特率

UCA0BR1=0；

UCA0MCTL=UCBRF_13 //第一階段調(diào)制模式

+UCBRS_0 //第二階段調(diào)制模式

+UCOS16； //過(guò)采樣模式

UCA0CTL1 &=~UCSWRST； //運(yùn)行模式

UCA0IE|=UCRXIE； //使能接收中斷

UCA0IE|=UCTXIE； //使能發(fā)送中斷

}

串口1的初始化和串口0相似。初始化完成后，執(zhí)行圖3所示的流程圖中的程序。在程序執(zhí)行過(guò)程中要處理4個(gè)中斷，即RTC中斷、ADC中斷、串口0中斷和串口1中斷。RTC中斷分為1/1 024 s中斷和1 s中斷兩種，可以通過(guò)RTCIV寄存器的值來(lái)區(qū)分。1/1 024 s中斷時(shí)對(duì)各種軟件定時(shí)器計(jì)時(shí)；1 s中斷時(shí)更新日期和時(shí)間的值。ADC中斷時(shí)，說(shuō)明模/數(shù)轉(zhuǎn)換完成，這時(shí)可以從結(jié)果寄存器中讀出數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后面的計(jì)算。串口0每接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)或發(fā)送完一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。寄存器UCA0IV的值可用來(lái)區(qū)分接收中斷和發(fā)送中斷。如果是接收中斷則將接收到的字節(jié)存入接收緩沖區(qū)，直到接收完一幀數(shù)據(jù)。如果有3個(gè)字節(jié)的時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)接收則認(rèn)為一幀結(jié)束，即對(duì)該幀進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)指令進(jìn)行相應(yīng)的處理。如果是發(fā)送中斷，則發(fā)送緩沖區(qū)的下一個(gè)字節(jié)至串口0的數(shù)據(jù)寄存器，直到發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。串口1中斷的處理和串口0相似。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的城市污水管道監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器軟件配套，已在某城市運(yùn)行，取得了很好的效果，使城市管理部門能及時(shí)掌握污水管道的水位和氣體的濃度情況，及時(shí)采取處理措施，保障了居民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。