燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：介紹了SZYJ-01燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù)、軟硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用事項(xiàng)，為該類壓力記錄儀的設(shè)計(jì)提供了思路。

關(guān)鍵詞：壓力記錄儀；燃?xì)?；軟硬件設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH812" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-0797（2023）07-0034-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.008

0" " 引言

近年來，我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)馐聵I(yè)迅猛發(fā)展，大大提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，減少了城市大氣污染，同時(shí)也大大滿足了工業(yè)企業(yè)能源需求，便利了城鎮(zhèn)居民生活，相應(yīng)的各種燃?xì)庠O(shè)備及儀表儀器也得到了大量應(yīng)用。

隨著新一代物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)鈨x表儀器也逐漸朝著智能化方向發(fā)展。本文介紹的SZYJ-01燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀是專門用于對(duì)燃?xì)夤艿篮蛪毫θ萜鬟M(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)的電子記錄裝置，它集傳感器、智能儀表于一體，采用大容量高性能鋰電池供電，無須外部電源，無線傳輸，無須現(xiàn)場(chǎng)布線。在計(jì)算機(jī)上通過本公司提供的專用軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析和處理，可以從軟件上看到歷史數(shù)據(jù)、歷史圓盤曲線等，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量和控制，因而廣泛應(yīng)用于燃?xì)?、熱力、化工等需要進(jìn)行管道嚴(yán)密性及設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域。

1" " 燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

該壓力記錄儀由傳感器、殼體、前蓋及視窗、后蓋、鋰電池、集成電路和天線等部分組成。殼體及前后蓋采用鋁合金高壓鑄造，結(jié)構(gòu)勻稱輕便[1]。電源采用內(nèi)置一號(hào)鋰電池，無須外接電源，電量耗盡可重新更換電池，保證長(zhǎng)期供電。內(nèi)部集成電路配備128M存儲(chǔ)芯片和物聯(lián)網(wǎng)卡，可傳輸存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)信息。

在工作狀態(tài)下，傳感器監(jiān)測(cè)到的壓力信號(hào)經(jīng)過處理，存儲(chǔ)在芯片中，并定期經(jīng)天線傳送至控制中心。壓力記錄儀上可以設(shè)定上限報(bào)警值、下限報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力超過設(shè)定值時(shí)數(shù)據(jù)立即進(jìn)行上傳，并在平臺(tái)上進(jìn)行報(bào)警，還可實(shí)時(shí)推送到手機(jī)微信公眾號(hào)，方便管理人員實(shí)時(shí)檢查數(shù)據(jù)。

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見，數(shù)字壓力記錄儀有一個(gè)傳感器，此類型壓力記錄儀也可稱為單通道數(shù)字壓力記錄儀，設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮殼體安裝方式，直接采用壓力記錄儀上傳感器的連接螺紋連接在管道接口上，安裝位置靈活。該記錄儀由于采用鋰電池供電，不用外接電源，可安裝在無電偏僻場(chǎng)所，為燃?xì)鈮毫ΡO(jiān)測(cè)提供了極大的便利。

按照《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》（GB/T 3836.2—2021），記錄儀殼體設(shè)計(jì)防爆標(biāo)準(zhǔn)為Ex d IIC T6 Gb，防護(hù)等級(jí)為IP65，可安裝在有可燃物泄漏或潮濕的環(huán)境，并且記錄儀沒有外接電源，防護(hù)措施安全有效[2]。

壓力記錄儀傳感器采集到的壓力信號(hào)傳送到集成電路處理模塊后，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可通過物聯(lián)網(wǎng)卡傳送至數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。數(shù)據(jù)帶時(shí)間標(biāo)簽，定時(shí)上傳，默認(rèn)每5 min采集一次，一天傳輸兩次。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)采集到的壓力數(shù)據(jù)信息對(duì)燃?xì)膺\(yùn)行狀況進(jìn)行分析處理，確保燃?xì)膺\(yùn)行安全。

根據(jù)燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的應(yīng)用環(huán)境，為保證壓力記錄儀的正常工作使用，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

（1）壓力記錄儀經(jīng)常應(yīng)用在高溫高濕環(huán)境中，安裝位置一般空間較小，故應(yīng)注意殼體盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，便于拆卸安裝。殼體內(nèi)鋰電池屬于可更換部件，需注意拆卸鋰電池部位的后蓋時(shí)，要避免后蓋和內(nèi)部電路有接觸。

（2）殼體隔爆接觸面的長(zhǎng)度需滿足《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》（GB/T 3836.2—2021）的最小長(zhǎng)度要求，需要螺紋連接的螺紋長(zhǎng)度應(yīng)滿足最低要求，以正常取得防爆證書為準(zhǔn)[2]。

（3）壓力記錄儀的數(shù)據(jù)信息可通過U盤采集，也可通過天線無線傳輸。對(duì)于通過天線無線傳輸?shù)那闆r，要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮各種型號(hào)天線接口都可正常連接，需預(yù)留足夠的螺紋加工余量，以加工滿足各型號(hào)天線連接的螺紋孔，并保證螺紋長(zhǎng)度符合隔爆螺紋的最小長(zhǎng)度要求。

2" " 主要技術(shù)參數(shù)

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀主要用于天然氣管道壓力信號(hào)采集，殼體采用高壓鑄造鋁合金，鑄造毛坯件適合大批量壓鑄生產(chǎn)，鑄件輕巧，易于加工[1]。

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀工作環(huán)境適用范圍廣，覆蓋國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)，在各種無電偏僻場(chǎng)所、高溫高濕或易燃易爆環(huán)境等都可應(yīng)用，量程可根據(jù)管道燃?xì)鈮毫η闆r調(diào)整設(shè)置，準(zhǔn)確度為所選量程范圍的0.5級(jí)，數(shù)據(jù)分時(shí)段存儲(chǔ)，間隔發(fā)送。

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀優(yōu)化內(nèi)部集成電路，采用低功耗設(shè)計(jì)，配合使用1號(hào)9 000 mW·h鋰電池，按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集上傳周期計(jì)算，電池可使用三年。當(dāng)電池電量低于10%后，可拆開壓力記錄儀保險(xiǎn)裝置，擰開后蓋更換新電池，原采集的數(shù)據(jù)信息不受影響。

3" " 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀以STM32F103RDT6單片機(jī)為核心，由按鍵、4G全網(wǎng)通模塊、LCD屏顯、外部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)組成，軟件部分可設(shè)置主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間，通過程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)能控制，做到了低功耗。

3.1" " 基本功能

實(shí)現(xiàn)讀取壓力傳感器的壓力數(shù)值，并存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)中，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間讀取外部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過無線上傳至服務(wù)器。

系統(tǒng)啟動(dòng)后如沒有外部中斷請(qǐng)求，3 min后進(jìn)入低功耗模式；當(dāng)產(chǎn)生外部中斷包含按鍵、顯示、讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸，跳出低功耗模式，動(dòng)作操作完成1 min再次進(jìn)入低功耗模式。總體電路原理圖如圖2所示。

3.2" " 硬件設(shè)計(jì)

（1）CPU核心部分：主控芯片選擇的STM32F103RDT6是一款經(jīng)典的主控芯片，該芯片支持多個(gè)串口通信，本次設(shè)計(jì)利用其第2個(gè)串口。該芯片支持IIC接口、SPI接口以及多個(gè)外部中斷；內(nèi)部低功耗模式，支持內(nèi)部、外部中斷喚醒模式；PWM接口為電池的放電提供了豐富的控制功能，充足的IO口位使按鍵及顯示的功能實(shí)現(xiàn)成為可能。主控芯片基本系統(tǒng)圖如圖3所示。

（2）壓力傳感器部分：IIC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為基礎(chǔ)，按由高位到低位的順序，傳輸完成一個(gè)字節(jié)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)返回確認(rèn)位。數(shù)據(jù)傳輸序列是由主機(jī)發(fā)起，包含設(shè)備地址和數(shù)據(jù)操作位，開始后若SCL處于高電平且SDA電壓穩(wěn)定，傳輸數(shù)據(jù)有效；當(dāng)SCL處于低電平時(shí)，才能對(duì)SDA電壓做操作。IIC工作原理圖如圖4所示。

（3）4G通信部分：無線通信模塊通過串口實(shí)現(xiàn)與主控芯片的連接，主控芯片通過串口向通信模塊發(fā)送不同的控制AT命令，來實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的初始化、入網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)瓤刂啤Ｍㄐ拍K系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

（4）外部存儲(chǔ)：存儲(chǔ)采用外部FLAS存儲(chǔ)W25Q128芯片，該芯片采用SPI接口，主控制器將數(shù)據(jù)寫到寄存器SPITXBUF自動(dòng)發(fā)送，數(shù)據(jù)從SPITXBUF傳輸?shù)絊PIDAT中通過SPISIMO發(fā)送，最高位優(yōu)先；當(dāng)主控制器接收時(shí)，數(shù)據(jù)通過SPISOMI寫入寄存器SPIDAT，低位優(yōu)先。外部存儲(chǔ)圖如圖6所示。

3.3" " 軟件設(shè)計(jì)

開機(jī)后系統(tǒng)初始化，包括按鍵、顯示、通信模塊、外部存儲(chǔ)、傳感器等功能模塊部分的初始化，初始化完成后，開始檢測(cè)中斷，包括內(nèi)部定時(shí)、外部請(qǐng)求中斷，如果沒有中斷則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待中斷請(qǐng)求；如果出現(xiàn)按鍵中斷，則執(zhí)行點(diǎn)亮顯示及按鍵設(shè)置，按鍵控制操作；當(dāng)定時(shí)數(shù)據(jù)讀取中斷產(chǎn)生，則通過IIC協(xié)議讀取傳感器上的數(shù)據(jù)并且保存至外部存儲(chǔ)；當(dāng)產(chǎn)生通信中斷，包括內(nèi)部定時(shí)通信及外部請(qǐng)求上傳數(shù)據(jù)通信時(shí)，則執(zhí)行讀取外部?jī)?chǔ)存器內(nèi)的最新數(shù)據(jù)并且上傳至服務(wù)器。中斷執(zhí)行完成后2 min沒有新的中斷產(chǎn)生，則再次進(jìn)入低功耗模式。軟件流程圖如圖7所示。

IIC壓力傳感器接口：根據(jù)佰測(cè)壓力傳感器提供的協(xié)議，讀取壓力值的程序如下。

UINT16 uwI2C_ReadPressure（void）

{float f1， f2;

UINT8 ucReadBuf[2];

UINT16 uwPressure;

IIC_CS_HIGH（）;

SysCtlDelay（100*（SystemCoreClock / 3000））;

vI2C_SendOneByte（READ_PRESSURE）;

if（blWaitACK（） == 1）

{vIIC_Stop（）;

IIC_CS_LOW（）;

return 0xFFFF;}

ucReadBuf[0] = ucI2C_ReadOneByte（）;

vACK（）;

ucReadBuf[1] = ucI2C_ReadOneByte（）;

vNACK（）;

vIIC_Stop（）;

IIC_CS_LOW（）;

uwPressure" = （ucReadBuf[0] amp; 0x3F） lt;lt; 8;

uwPressure |= ucReadBuf[1];

f1 = （（float）uwPressure/（float）TFactor - 0.1）*Pz;

f2 = 0.8;

#if P_RANGE_KP == 600" uwPressure = （UINT16）（（f1/f2）*100）;

#else uwPressure = （UINT16）（（f1/f2）*1000）; //2019.04.15

#endif" return uwPressure;}

SPI外部存儲(chǔ)接口：通過SPI接口讀寫一個(gè)字節(jié)的代碼如下。

UINT8 ucSPI_SendByte（UINT8 ucSendData）

{while （SPI_I2S_GetFlagStatus（SPI2， SPI_I2S_FLAG_

TXE） == RESET）;

SPI_I2S_SendData（SPI2， ucSendData）;

while （SPI_I2S_GetFlagStatus（SPI2， SPI_I2S_FLAG_

RXNE） == RESET）;

return SPI_I2S_ReceiveData（SPI2）;}

BC32的通信流程：模塊上電后進(jìn)入自檢功能，檢測(cè)模塊的完整性，自檢的同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊初始化，包括開機(jī)上電時(shí)序、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)、信號(hào)強(qiáng)度以及狀態(tài)的獲取等基本通信鏈路的建立。

獲取需要的通信信息后，則需要建立TCP通信的通道，包括通信IP、端口號(hào)等TCP通信參數(shù)。

通信完成后則關(guān)閉鏈接。

4" " 應(yīng)用說明

根據(jù)燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的應(yīng)用環(huán)境，需要根據(jù)不同情況設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，應(yīng)用時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

（1）顯示數(shù)據(jù)：按擊“喚醒鍵”屏幕依次顯示設(shè)備地址、量程、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)間。如：“020503”表示為5月3日生產(chǎn)的第2個(gè)序號(hào)產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品編號(hào)唯一，然后顯示壓力量程，如顯示“10”表示是10 kPa壓力表，最后顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)時(shí)間，左上角表示時(shí)間，右下角表示壓力。

（2）配置時(shí)間及日期：按擊“喚醒鍵”后，顯示時(shí)間壓力后按“時(shí)間鍵”顯示當(dāng)前時(shí)間配置，首先顯示“分鐘”設(shè)置，然后點(diǎn)擊“U盤鍵”數(shù)值增加，點(diǎn)擊“頻率鍵”數(shù)值減少，設(shè)置完成后再次點(diǎn)擊“時(shí)間鍵”顯示“小時(shí)”設(shè)置，依次顯示“日” “月” “年”設(shè)置同理。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“確認(rèn)鍵”完成確認(rèn)。注意這里“確認(rèn)鍵”需要連續(xù)點(diǎn)擊兩次，才能完成時(shí)間設(shè)置。設(shè)置完成后，可以再次點(diǎn)擊“喚醒鍵”查看時(shí)間是否設(shè)置成功。

（3）NB-IoT設(shè)置：點(diǎn)擊“喚醒鍵”后，顯示壓力后按“U盤鍵”設(shè)置NB-IoT上傳時(shí)間間隔、上限報(bào)警值、下限報(bào)警值。首先顯示提示已進(jìn)入“上下限—NB-IoT設(shè)置界面”，此界面不需要操作，然后再點(diǎn)擊“U盤鍵”顯示的是“上傳時(shí)間設(shè)置”，“00”表示10 min上傳一次，“01”表示1 h上傳一次，以此類推，點(diǎn)擊“時(shí)間鍵”數(shù)值增加，點(diǎn)擊“頻率鍵”數(shù)值減小，然后點(diǎn)擊“U盤鍵”顯示的是“壓力上限”設(shè)置，再點(diǎn)擊“U盤鍵”顯示的是“壓力下限”設(shè)置，最后點(diǎn)擊“U盤鍵”，這時(shí)是提示“完成設(shè)置”界面，點(diǎn)擊“確認(rèn)鍵”完成NB-IoT設(shè)置。

（4）存儲(chǔ)時(shí)間設(shè)置：存儲(chǔ)時(shí)間可以由1～59 min設(shè)定，出廠默認(rèn)值為5 min存儲(chǔ)一次。點(diǎn)擊“喚醒鍵”后，顯示壓力后點(diǎn)擊“頻率鍵”顯示當(dāng)前存儲(chǔ)時(shí)間配置，然后點(diǎn)擊“時(shí)間鍵”數(shù)值增加，點(diǎn)擊“U盤鍵”數(shù)值減小。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“確認(rèn)鍵”完成設(shè)置存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)間越短，設(shè)備的功耗越大，用戶根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。注意這里設(shè)置完成后也需要點(diǎn)擊“確認(rèn)鍵”兩次。

（5）數(shù)據(jù)查看：每臺(tái)設(shè)備都有自己的專屬地址編碼，通過軟件綁定后直接可以通過軟件查看，并通過微信壓力報(bào)警推送。

（6）微信查看：添加微信公眾號(hào)“智慧燃?xì)庠O(shè)備監(jiān)控平臺(tái)”找到綁定設(shè)備，然后掃描設(shè)備上的二維碼進(jìn)行微信綁定。

5" " 結(jié)語

本文主要介紹了燃?xì)鈹?shù)字壓力記錄儀的結(jié)構(gòu)和工作原理、主要技術(shù)性能參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)所，同時(shí)從設(shè)計(jì)角度給出了幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用提供了設(shè)置步驟，為同類壓力記錄儀的設(shè)計(jì)使用提供了思路。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 壓鑄鋁合金：GB/T 15115—2009[S].

[2] 爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備：GB/T 3836.2—2021[S].

收稿日期：2022-12-27

作者簡(jiǎn)介：魏俊磊（1983—），男，山東人，工程師，研究方向：燃?xì)庠O(shè)備及儀表。