乙二醇泄漏監測的實時報警系統

楊國濤，龍 偉，曾 力

（四川大學制造學院，四川 成都 610065）

0 引言

乙二醇是一種工業價值很高，但也是一種有毒化學物質，一旦泄漏或者溢出對周邊的人和生態環境造成相當嚴重威脅。許多釀酒企業大量需要乙二醇，并采用管道運輸，管道多深埋于野外地下，為及時發現泄漏需要每次運輸時，派專人巡視和排查，往返一次需要半天時間，耗費大量人力資源，因此，急需一種乙二醇在線監測系統。由于傳統乙二醇檢測方法價格昂貴，且管道深埋不利于傳統的檢測方法。根據實地考察和了解，在運輸過程中絕大部分泄漏的發生在閥門處，每個閥門都有一個專用的閥井。針對這一情況，通過設計專門的容器［1］，并結合液位傳感器，將傳統的直接檢測乙二醇化學性質，轉換為檢測乙二醇泄漏的液位值，降低了設備成本和技術難度。

本文設計了一種以液位傳感器為核心，單片機（MCU）為數據處理單元，全球移動通信系統（GSM）MODEM為無線遠程通信手段［2］，計算機為泄漏顯示和報警單元的乙二醇在線監測報警系統。

1 系統總體設計

系統主要由四部分組成:傳感器單元、數據處理單元、無線遠程通信單元、報警與監測單元［3］，其結構［4］如圖 1所示。

圖1 系統結構Fig 1 System structure

系統工作時主要會遇到下面3種情況:1）系統未發生泄漏和滲漏時，液位傳感器和溫濕度傳感器的監測值:液位值0，濕度值不變;2）發生滲漏時，由于泄漏的是少量乙二醇，液位值為0，而空氣中的水分會被其吸收，造成濕度降低，通過監測室計算機會監測，并提示發生滲漏并發出報警;3）發生大量泄漏時，液位值不再為0，當液位超過10 cm時，計算機會提示大量泄漏并報警。

2 硬件系統組成與功能

2.1 傳感器單元

傳感器單元主要負責液位的檢測和濕度檢測作為滲漏信息。

2.1.1 液位傳感器

液位傳感器采用LMP633系列纜式靜壓傳感器測量范圍為0～1m供電電壓為12.5～36V，輸出信號為4～20mA，精度為0.5%，采用螺紋連接。液位傳感器輸出信號需要通過轉換電路轉換為標準的電壓信號，如圖2所示，并且需要通過實驗建立液位和輸入電壓的關系，通過向容器里加入不同高度的水，并測量輸出電壓轉換后的值，得到如下公式

式中y為測量的液位值，mm;x為液位傳感器電壓值。液位傳感器轉換電路如圖2。

圖2 液壓傳感器信號轉換電路Fig 2 Signal conversion circuit of hydraulic pressure sensor

2.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于滲漏測量，采用比較常用的SHT71型傳感器［6］，供電范圍為2.4～5.5 V，傳感器輸出經過標定的數字信號通過I2C總線與單片機實現通信［5］，連接電路如圖 3［7］。

圖3 溫濕度傳感器連接電路Fig 3 Connection circuit of temperature and humidity sensor

圖3中，1腳為串行時鐘輸入口SCK，2腳為電源輸入端VDD，3腳為接地腳，4腳為串行數據輸入輸出腳［8］。

2.2 數據處理單元

單片機單元主要負責采集液位、溫度與濕度值，控制GSM單元，將采集到的液位、溫度與濕度值發送給工作室里的計算機。系統采用的控制器為性價比非常高的宏晶公司生產的STC12C5410AD型單片機40腳，DIP封裝，內部集成512 bytes的內存，工作電壓在3.5～5.5 V，該型號自帶8路10位高速A/D轉換器，對應的端口為P1口，用戶可以通過軟件設定A/D接口，不需要時可以作為一般的I/O口。需要A/D轉換時通過配置寄存器P1M0（地址91H），P1M1（地址92H），很方便地實現將液位傳感器的模擬輸入量轉換為數字量。

2.3 GSM 單元

GSM單元用于無線傳送單片機采集到的液位、溫度與濕度值，方便企業辦公人員及時的掌握各個閥門的工作狀況。本文采用的是基于公共無線移動通信網絡的短消息技術作為數據傳輸的方式，采用的WAVECOM公司生產的RS—232接口的GSM MODE，該設備集成了AT指令，用于開發和控制，非常方便［9］。可以通過AT指令表設置設備參數，比如通過AT+CSCA=+8613800280500，就設置好了短信貓的短信中心號碼，操作非常方便。

2.4 電源電路

2.4.1 穩壓降壓芯片

系統電源采用的是24 V可充電鋰離子電池，部分芯片電路的供電需要穩壓降壓芯片，穩壓降壓芯片選用的是LM2576 系列，輸入電壓為7～60 V，固定輸出值為 15，12，5，3.3 V，還有輸出電壓可調的型號。例如:單片機工作電壓為 5 V，則選用 LM2576—5.0，連接電路如圖 4。

圖4 單片機LM2576供電電路Fig 4 Power supply circuit of MCU LM2576

2.4.2 電壓監測芯片

電壓監測用于檢測電池、單片機供電、液位傳感器供電和短信貓供電情況。采用的是CN1185四通道低功耗的電壓檢測芯片，工作電壓為2.7～6 V，芯片有16個引腳，內部有4個電壓比較器，每個比較器的正輸入端作為基準電壓源，可以用于對同一個電壓源就行分級檢測或者對4個不同的電壓源就行檢測，可以通過9腳設置電壓翻轉閾值，高電平翻轉閾值為1.22 V，低電平翻轉閾值為1.56 V，輸入電壓小于閾值，則輸出為低電平，連接電路如圖5所示。

3 軟件系統

GSM MODEM控制主程序結構圖如圖6所示。

1）系統上電之后，進行參數數據初始化。

2）單片機讀取RS—232接口緩存區，判斷GSM MODEM是否有返回的數據，沒有返回數據，就原地等待;有，就進行判斷返回內容。

3）讀取GSM MODEM（短信貓）的返回值，辨析返回內容，返回ERROR，說明調用短信貓程序有問題，需要重新調用和修改，如果為CMTI，說明接收到新短信，則調用短信讀取程序，讀取短信能容;若均不是，則進行下一步判斷。

圖5 CN1185電壓監測電路Fig 5 CN1185 voltage monitoring circuit

4）調用讀取短信指令后，如果返回值為GMGR，說明讀取短信成功;為ERROR說明讀取失敗，需重新確認讀取地址。

5）調用發送短信指令后，返回值為CMGS說明發送成功;為ERROR，說明發送失敗，你需要檢查發送指令，接收號碼，指令結尾是否正確。

圖6 主程序結構圖Fig 6 Structure diagram of main program

4 系統測試實驗

測試系統采用方便測量的液體高度的開口容器，將液位傳感器放入其中，通過向容器中加入不同高度的水，測量容器中水的實際高度，并與短信接收到的液位值進行對比，實驗數據如表1所示。

表1中SCZZ100060F153F00F055為實驗接收短信數據SCZZ和結尾55為排除干擾短信使用的協議格式，后面依次，1表示1#閥井，后2位00表示當前液位值，再后4位為溫濕度值，其他為電壓監測值和效驗值。將當前十六進制的液位值轉換為十進制，再代入公式（1），可以計算出當前液位，分別為00，49，79 mm，當液位等于或者超過100 mm，返回值都為FF，此時計算機已經發出泄漏報警，等待工作人員趕到現場及時處理。

表1 系統測試數據Tab 1 System test data

5 結論

通過系統測試實驗表明:本系統能夠比較準確獲取當前液位值，并能通過GSM MODEM及時地將當前液位值發送給遠端的工作室，由于傳感器誤差，A/D轉換誤差，所以，監測值和對比值存在一定誤差，但對于大量泄漏，1～2 mm的誤差并不影響對持續泄漏的監測，通過上述分析和實驗，本設備能夠實現乙二醇泄漏無線實時的監測，長時間運行穩定，操作方便。

［1］曾 力，黃 劼，楊 艷.乙二醇檢測系統底層系統設計［J］.中國測試，2012（2）:93-95.

［2］楊建華，劉 皓，劉文琦.基于GSM/SMS的分布式測控系統的通訊實現［J］.控制工程2005（1）:67-69，76.

［3］富煥章.一種STC電路的實現方法［J］.中國民航學院學報，1990（1）:12-20.

［4］郭 燕.基于STC單片機的氨氣測控儀的研制［J］.自動化技術與應用，2012（11）:88-90，95.

［5］朱向慶，陳志雄.遠程分布式溫濕度實時監控系統設計［J］.計算機測量與控制，2010（1）:55-57，63.

［6］曹柏榮，馮運達，瞿丹霞.無線溫濕度測量系統及其應用［J］.自動化儀表，2005（7）:30-31，34.

［7］馮顯英，葛榮雨.基于數字式溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統［J］.自動化儀表，2006（1）:59-61.

［8］李建蘭，邵建龍，張志宏，等.基于STC12C系列單片機的DS18B20編程［J］.國外電子測量技術，2009（1）:88-95.

［9］婁 輝，黃 海.遠程測控中GSM Modem短信開發［J］.電子電器，2006（1）:235-237，250.