基于無(wú)線通信的消防管道壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇卓宇++秦會(huì)斌

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)壓力檢測(cè)記錄方法存在的問(wèn)題，提出一種低功耗消防管道無(wú)線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法。該方法根據(jù)低功耗設(shè)計(jì)理念，對(duì)壓力采集系統(tǒng)的硬件電路、軟件流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件電路以PIC18F87K90單片機(jī)為核心，具有液晶顯示、按鍵開(kāi)關(guān)、無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋＼浖O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償功能，并簡(jiǎn)化了外圍電路，降低了系統(tǒng)功耗，提高了數(shù)據(jù)采集精度。最后給出了傳感器在測(cè)量范圍為0～40MPa的測(cè)試結(jié)果：最大誤差為0.04Mpa，可滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；壓力檢測(cè)；傳感器；低功耗；PIC18F87K90；消防管道

DOIDOI：10.11907/rjdk.171672

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16727800（2017）010010405

0引言

目前，消防安全意識(shí)越來(lái)越深入人心。為了保證消防系統(tǒng)正常運(yùn)行，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)投入工作，需要對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性檢查維護(hù)。消防管道是輸送消防用水的管道，是消防系統(tǒng)中的重要一環(huán)。隨著壓力測(cè)量的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)壓力測(cè)量?jī)x器的要求也越來(lái)越高[13]。數(shù)字壓力表是在工業(yè)、交通運(yùn)輸、航空及許多其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種檢測(cè)儀表，壓力是衡量消防管道是否正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，關(guān)系到消防管道的強(qiáng)度和嚴(yán)密性[45]。因此，需要在重要節(jié)點(diǎn)、分支、端口等處對(duì)管道壓力進(jìn)行檢測(cè)記錄。以往靠人工巡視往往因?yàn)閿?shù)量多、路程遠(yuǎn)、不方便操作等原因造成漏檢、錯(cuò)檢，給消防管道的維護(hù)帶來(lái)隱患[68]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)一款遠(yuǎn)程消防管道檢測(cè)系統(tǒng)刻不容緩，通過(guò)該系統(tǒng)可對(duì)管道壓力進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)記錄及上傳數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行分布式查看，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量用時(shí)短、維護(hù)量小、費(fèi)用低、節(jié)省人工成本等優(yōu)勢(shì)。

1系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由壓力表、集中器、服務(wù)器和用戶(hù)終端4部分組成。工作原理如下：消防管道壓力由壓力表進(jìn)行測(cè)量，然后把壓力數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)格式（ModBus協(xié)議）傳送給集中器；壓力表和集中器之間通過(guò)二線制儀表總線MBUS總線連接。由于集中器安裝于現(xiàn)場(chǎng)，一個(gè)集中器帶有多個(gè)壓力表，分布范圍廣、距離遠(yuǎn)，因此集中器與服務(wù)器通過(guò)GPRS傳遞數(shù)據(jù)；服務(wù)器存儲(chǔ)壓力數(shù)據(jù)，接受終端查詢(xún)， 并把來(lái)自終端的命令下發(fā)到集中器。

圖1系統(tǒng)框架

1.1數(shù)字式壓力表

數(shù)字式壓力表處于系統(tǒng)最底層，屬于下位機(jī)部分，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：①測(cè)量功能：對(duì)管道壓力進(jìn)行精確測(cè)量；②通訊功能：能接受集中器的“讀取數(shù)據(jù)”命令，將數(shù)據(jù)傳輸給集中器。

1.2集中器

集中器在數(shù)據(jù)傳輸中起承上啟下作用，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：①與壓力表的通訊功能：對(duì)壓力表進(jìn)行參數(shù)配置，讀取壓力表測(cè)量結(jié)果；②與服務(wù)器的通訊功能：接收服務(wù)器或用戶(hù)通過(guò)服務(wù)器發(fā)送的壓力表測(cè)量命令，讀取壓力數(shù)值并進(jìn)行存儲(chǔ)、上傳處理。

1.3Internet服務(wù)器

Internet服務(wù)器負(fù)責(zé)連接集中器和用戶(hù)終端，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：①與集中器的通訊功能：轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)終端對(duì)壓力表的測(cè)量命令給集中器；向集中器發(fā)送“讀取數(shù)據(jù)”命令，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；②數(shù)據(jù)庫(kù)功能，對(duì)壓力表數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)維護(hù)；③C/S結(jié)構(gòu)的服務(wù)器功能：接收用戶(hù)終端的“數(shù)據(jù)查詢(xún)”命令，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)信息，并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.4用戶(hù)終端

用戶(hù)終端處于系統(tǒng)的最高層，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：①以適當(dāng)?shù)母袷斤@示壓力表數(shù)據(jù)；②判斷數(shù)據(jù)是否超限、壓力表工作是否正常，并給出報(bào)警信息。

2數(shù)字式壓力表設(shè)計(jì)

本文目標(biāo)為設(shè)計(jì)一款高精度、低功耗的數(shù)字壓力表，壓力表量程是0～40.000 MPa，精度為0.2%，因此其對(duì)于壓力校驗(yàn)設(shè)備、壓力容器配套、自動(dòng)化產(chǎn)線檢驗(yàn)等更加適用。設(shè)計(jì)總體框圖如圖2 所示，外圍電路主要包括MCU 模塊、壓力傳感器模塊、液晶顯示模塊、電源數(shù)據(jù)采集和按鍵電路等。壓力傳感器模塊采用NKP191 型壓力傳感器，與目前市場(chǎng)上大多數(shù)數(shù)字壓力表使用的陶瓷壓阻式傳感器和陶瓷電容壓力傳感器不同，它是擴(kuò)散硅壓阻式傳感器。擴(kuò)散硅壓阻式傳感器比陶瓷壓阻式傳感器內(nèi)阻小，且穩(wěn)定性和精度更佳，與陶瓷電容壓力傳感器相比，其價(jià)格更便宜，安裝也更加簡(jiǎn)便。總體而言，NKP191 型壓力傳感器各方面比較平衡。設(shè)計(jì)的壓力表另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有液晶顯示模塊，LCD 液晶由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可以去除LCD 驅(qū)動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化外圍電路。

2.1信號(hào)放大電路

壓力傳感器采集壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路處理，傳入單片機(jī)的模擬通道，雖然選用的壓力傳感器輸出信號(hào)較大，但其差值信號(hào)很小，大約只有毫伏級(jí)別。由于單片機(jī)無(wú)法直接采集傳送該壓力信號(hào)，因此單片機(jī)與壓力傳感器之間需要有一個(gè)放大器模塊。本數(shù)字式壓力表采用的放大電路模塊是基于Microchip公司MCP6001芯片的差分放大電路，通過(guò)對(duì)壓力傳感器兩個(gè)輸出引腳的壓力信號(hào)作差分運(yùn)算，即將小信號(hào)作適當(dāng)?shù)姆糯筇幚恚筝斔徒o單片機(jī)進(jìn)行處理。

如圖3所示是放大電路模塊的差分放大電路圖，壓力傳感器兩個(gè)輸出端的V+和V-信號(hào)經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算放大器放大，然后傳送給單片機(jī)的模擬信號(hào)采集通道引腳AN1進(jìn)行信號(hào)采集。其中，運(yùn)算放大器供電電源引腳和PIC18F87K90單片機(jī)AD模塊的外部參考電壓引腳都和單片機(jī)的RC7引腳連在一起，從而保證兩部分供電電壓的一致性。然而，由于供電電源是兩節(jié)干電池，共3伏，長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)導(dǎo)致電壓下降，導(dǎo)致供電電壓不穩(wěn)定，最后導(dǎo)致模塊工作的不可靠性，從而影響了系統(tǒng)壓力采集的準(zhǔn)確性。為了消除這一影響，在供電電源與模塊之間加入了D1穩(wěn)壓二極管LM4040的穩(wěn)壓器，可使運(yùn)算放大器的供電電源和單片機(jī)AD模塊的參考電壓長(zhǎng)期保持在一個(gè)恒定狀態(tài)。

2.2顯示驅(qū)動(dòng)電路

由于PIC18F87K90內(nèi)部集成了LCD驅(qū)動(dòng)電路，不需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，從而簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。該單片機(jī)通過(guò)產(chǎn)生時(shí)序控制來(lái)驅(qū)動(dòng)靜態(tài)和復(fù)用的LCD面板，只需配置單片機(jī)內(nèi)部的一些寄存器，即能實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏顯示的動(dòng)態(tài)修改，能驅(qū)動(dòng)最多具有4個(gè)公共端和32個(gè)段的面板，還可以控制LCD像素?cái)?shù)據(jù)，其內(nèi)部的7抽頭梯形電阻還可以動(dòng)態(tài)改變對(duì)比度，使圖像顯示更加清晰。endprint

為了實(shí)現(xiàn)功耗低的目標(biāo)理念，需要讓MCU產(chǎn)生合理的LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序波形。PIC18F87K90單片機(jī)能夠提供兩種驅(qū)動(dòng)波形：A型波和B型波，如圖4所示是在1/4 復(fù)用、1/3 偏置驅(qū)動(dòng)時(shí)的A 型波形，如圖5所示是在1/4 復(fù)用、1/3 偏置驅(qū)動(dòng)時(shí)的B 型波形。然后可以通過(guò)設(shè)置參考梯形電阻使LCD偏置電壓不同，從而改變LCD 驅(qū)動(dòng)波形的功耗，使其中一種波形處于正常功耗工作模式，另一種波形處于低功耗工作模式，然后兩種波形復(fù)合使用，以達(dá)到降低整體功耗的目標(biāo)。

從圖中可以看出，A型波形和B型波形兩者的區(qū)別在于相位改變的位置不同，A型波形的相位改變是在每個(gè)公共端類(lèi)型處發(fā)生改變，這樣一幀波形中整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的平均電壓即為零，但是B型波形相位的改變是在每個(gè)幀的邊界上發(fā)生的，從而導(dǎo)致需要兩個(gè)幀才能夠維持平均電壓為零。

3集中器

集中器主要起到承上啟下的作用，通過(guò)GPRS模塊接收服務(wù)器傳來(lái)的命令，然后通過(guò)MBUS總線與壓力表進(jìn)行通訊。集中器上電后首先要讀出存儲(chǔ)在E2PROM中的GPRS撥號(hào)參數(shù)、串口波特率、Internet服務(wù)器IP地址等工作參數(shù)，對(duì)GPRS模塊進(jìn)行設(shè)置。如果順利，GPRS此時(shí)即可登陸GSM網(wǎng)絡(luò)。然后單片機(jī)給GPRS發(fā)送撥號(hào)上網(wǎng)的AT指令，GPRS進(jìn)行PPP撥號(hào)。GPRS模塊通過(guò)Internet服務(wù)器的IP地址以及端口號(hào)等參數(shù)向服務(wù)器發(fā)起TCP或UDP通訊請(qǐng)求，在得到服務(wù)器響應(yīng)后，GPRS模塊則認(rèn)為與中心握手成功，即可實(shí)現(xiàn)GPRS與Internet公網(wǎng)服務(wù)器的通訊。如果通訊連接中斷，GPRS立即重新與服務(wù)器握手。GPRS模塊中的數(shù)據(jù)傳輸是透明傳輸，GPRS模塊接收到單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)，則立即把數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)TCP/UDP包里，發(fā)送給服務(wù)器。反之，當(dāng)GPRS模塊收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的TCP/UDP包時(shí)，從中取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，立即通過(guò)串口發(fā)送給集中器。Internet服務(wù)器可同時(shí)與多個(gè)集中器進(jìn)行雙向通訊。另外對(duì)GPRS模塊還有以下要求：支持自動(dòng)心跳，保持永久在線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，具有看門(mén)狗技術(shù)與掉線自動(dòng)重?fù)芄δ埽啦魂P(guān)機(jī)。

4MBUS總線

MBUS總線是一種用于遠(yuǎn)程儀表讀取數(shù)據(jù)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，具有如下特點(diǎn)：①兩線制總線，不分正負(fù)極，施工簡(jiǎn)單；②單用獨(dú)特的電平特征傳輸數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)；③總線可以為每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)提供3.3V/3mA的穩(wěn)壓電源，為儀表提供2種供電方式；④可采用任意總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組網(wǎng)成本低、擴(kuò)展靈活；⑤總線采用12～42V電源供電，具有本質(zhì)安全的特性；⑥專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的保溫格式可滿(mǎn)足計(jì)量?jī)x表聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程讀數(shù)需要；⑦通訊過(guò)程完全由主機(jī)控制，任一通信節(jié)點(diǎn)故障不影響整體總線。MBUS總線的上述特點(diǎn)很好地滿(mǎn)足了本系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分散、壓力表分布范圍廣等要求。

使用MBUS網(wǎng)絡(luò)，不但可以進(jìn)行通訊傳遞數(shù)據(jù)，還可以對(duì)壓力表供電，解決了電池供電時(shí)間短、需要經(jīng)常更換的問(wèn)題。

5軟件設(shè)計(jì)

5.1壓力采集軟件設(shè)計(jì)

圖6為壓力采集部分軟件設(shè)計(jì)框架，其實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)并顯示，程序中每隔一段時(shí)間會(huì)開(kāi)啟相應(yīng)的定時(shí)器中斷溢出標(biāo)志，使程序開(kāi)啟A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先采集放大后的電壓信號(hào)，輸送到單片機(jī)內(nèi)部，然后把處理好后的數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶屏上。

5.2溫度補(bǔ)償系數(shù)

由于壓力傳感器在測(cè)量過(guò)程中受到環(huán)境制約，存在溫度漂移和零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約壓力傳感器的測(cè)量精度和應(yīng)用范圍，因此需要對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。然而對(duì)零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移的補(bǔ)償存在交叉影響，給補(bǔ)償工作帶來(lái)一定難度。本系統(tǒng)中由于沒(méi)有硬件上的溫度補(bǔ)償電路，所以在壓阻式壓力傳感器工作時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部單元首先測(cè)量出當(dāng)前環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，然后查出預(yù)先在單片機(jī)EEPROM中存儲(chǔ)的常溫下的溫度數(shù)據(jù)，最后利用如下的運(yùn)算函數(shù)關(guān)系得到最終的溫度補(bǔ)償系數(shù)t：

當(dāng)|T1-T0|≤PCK時(shí)：

t=|T1-T0|PCKK＼-1（1）

當(dāng)|T1-T0|≥PCK時(shí)：

t=K＼-1+（|T1-T0|-45）PCKK＼-2（2）

其中，PCK是之前人為設(shè)定的溫差，可以作為兩段溫度補(bǔ)償曲線的分界線；在公式（1）、（2）中，K＼-1、K＼-2是系統(tǒng)設(shè)定的溫度補(bǔ)償系數(shù)，可以通過(guò)按鍵進(jìn)入修改；t是最終得到的溫度補(bǔ)償系數(shù)。

5.3數(shù)字信號(hào)處理

由于輸出壓力與壓阻式壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)之間沒(méi)有嚴(yán)格的線性關(guān)系，需要將輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號(hào)之間的曲線分成若干段，每一段小曲線可以使用一段端與端之間的直線代替。因此，采用分段線性插值法來(lái)擬合逼近曲線，如圖7所示。

分段線性插值原理是將每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)用直線連接起來(lái)，形成一條新的折線即是分段線性插值函數(shù)，可以記為I_n （x_i ）=y_i。其中I_n （x）在每一個(gè)區(qū)間[x_i，x_（i+1）]上面都是線性函數(shù)（i=0，1…n-1），從而可以得到以下的線性插值函數(shù)：

I＼-n（x）= ∑ni=0yili（x）（3）

li（x）=X-Xi+1Xi-Xi+1（4）

由于工作環(huán)境必然會(huì)受到溫度影響，以及壓力傳感器本身設(shè)計(jì)的局限性，必然會(huì)出現(xiàn)溫漂問(wèn)題。因此，在沒(méi)有硬件補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須加入軟件補(bǔ)償，通過(guò)加入溫度補(bǔ)償系數(shù)t進(jìn)行修正，提高精確度。圖8為軟件補(bǔ)償設(shè)計(jì)框圖。

最終得到的是輸出壓力與壓力傳感器電壓信號(hào)、溫度補(bǔ)償系數(shù)t之間的二元函數(shù)，其表達(dá)式為：

y=f（u，t）（5）

公式（5）中，u表示壓阻式壓力傳感器的輸出電壓信號(hào)大小，t表示修正過(guò)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，y即是最終得到的輸出壓力值，從而達(dá)到消除溫度對(duì)壓力監(jiān)控系統(tǒng)影響的目的，最終得到可靠又準(zhǔn)確的壓力值。

5.4信號(hào)發(fā)送

集中器通過(guò)MBUS網(wǎng)絡(luò)向各壓力表輪訓(xùn)測(cè)量結(jié)果，判斷壓力值是否在正常范圍內(nèi)，如果超限則立即通過(guò)GPRS向服務(wù)器報(bào)告數(shù)據(jù)異常，觸發(fā)緊急響應(yīng)機(jī)制。如果沒(méi)有異常則保存數(shù)據(jù)，等待服務(wù)器查詢(xún)。endprint

5.5終端接收軟件

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的終端軟件是一款基于Andorid平臺(tái)的APP，采用面向連接的、可靠的傳輸層通信協(xié)議TCP，TCP通信主要是基于SOCKET套接字來(lái)完成。圖10為客戶(hù)端與服務(wù)器的通信過(guò)程，

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍是0～40MPa；系統(tǒng)供電電源為2節(jié)干電池，電壓為3V；壓力傳感器的安裝接口是M20*1.5；準(zhǔn)確度為0.2級(jí)；檢驗(yàn)溫度是25±2℃；測(cè)試時(shí)環(huán)境濕度為%65RH；在整個(gè)壓力測(cè)試過(guò)程中，電壓波動(dòng)范圍為2.8～3.1V，大氣壓力為101KPa。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可以得出，數(shù)據(jù)線性穩(wěn)定，與標(biāo)準(zhǔn)壓力表測(cè)量的數(shù)據(jù)之間存在一定誤差。分析產(chǎn)生誤差的主要原因是傳感器通電時(shí)間長(zhǎng)引起熱漂移，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定偏差。但由示值最大誤差可以得出，最終誤差仍然可以達(dá)到精度要求。

7結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信的消防管道壓力采集系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)人工巡視記錄由于存在數(shù)量大、路程遠(yuǎn)、不便操作等缺陷，從而造成漏檢、錯(cuò)檢的問(wèn)題，提出了一種無(wú)線通信的解決方案。基于無(wú)線通信的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有功耗低、精度高等特點(diǎn)，可以提高對(duì)消防管道的監(jiān)測(cè)效率，并且保證了較長(zhǎng)的使用壽命。該系統(tǒng)對(duì)管道壓力進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)記錄、上傳數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行分布式查看，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量用時(shí)短、維護(hù)量小、費(fèi)用低、節(jié)省人工成本等優(yōu)勢(shì)。

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