基于GPRS的太陽能可燃氣體探測器設計

關明陽

（公安部沈陽消防研究所 遼寧省沈陽市 110034）

自1963年國內建成第一條輸氣管道巴渝線以來，經過50 余年的發展，我國天然氣管網建設取得了巨大的成就，天然氣主干管道已經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建設，擴大管網規模和覆蓋范圍，將能更好的滿足市場需求，也是保障我國經濟發展和民生的重要手段。預計2020 至2025年器件將新建5.9*104km，同時還有大量的區域性管網建設[1]。天然氣管道具有管徑大、運距長、壓力高、輸量大的優勢，但是如果發生事故，將會給人們的生產生活造成很大的影響。一旦發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損失和人員傷亡的報道。根據新聞報道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生，需要實時采集管道閥室區域內的天然氣濃度數據，在發生天然氣泄漏的第一時間獲得濃度信息，為后續處理、搶險提供數據依據。因此設計了基于GPRS 的太陽能可燃氣體檢測系統，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 無線信號實時傳輸到數據中心，以便在控制室監控電腦上可以實時觀測到數據信息。下面將詳細介紹探測器的具體設計。

1 探測器系統總體設計

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據進行收集、驗證和暫存，然后傳輸至上位機監控軟件將結果通過圖形、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，并通過關聯手機號碼將信息及時下發給相關負責人及時處理。探測器具有數據采集、定位、數據上傳、顯示、聲光報警等功能，系統框圖如圖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 輸出可調電壓用于傳感器調零；需要足夠的通訊接口完成無線模塊接口、顯示接口、調試接口的數據交互；需要足夠的IO 口完成聲光報警、按鍵、門禁開關等信號的控制，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 內核，可以讓MCU 實現更高的性能，更低的功耗和更多實時的應用[3]。內部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、門禁開關以及聲光報警交互。

2.2 通訊模塊

圖1：探測器系統框圖

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 模塊采用聯發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 內嵌了豐富的TCP、UDP 等網絡協議，還集成了多星座衛星系統（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]，后續工作中即可根據協議隨時上傳相關的數據。

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下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發生變化，測量電阻變化從而測量氣體體積分數。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境溫度下非常穩定，并能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行監測[5]。

NAP-55A 傳感器是日本根本特殊化學株式會社生產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變化，非敏感部分電阻值和可燃性氣體體積分數無關。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過低噪聲運放進行信號調理，相關部分原理圖如圖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)失調電壓、19nV/℃(最大值)漂移、0.1Нz 至10Нz 范圍內噪聲為123nVP-P，可理想用于超低噪聲、超高精度的應用。

經過信號調理的模擬信號須通過ADC 采樣電路轉換成數字型號，才能進行后續的計算，由于數字芯片內部集成的ADC 通常只有10 位或者12 位，無法滿足系統的精度要求，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 進行數據采集。

2.4 太陽能供電系統

由于探測安裝在比較偏遠的野外，如果采用常規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。太陽能是綠色清潔能源，采用該種供電方式有利于能源節約。太陽能供電系統由太陽能電池組件、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定性，使其在陰雨、下雪等惡劣天氣環境下也能正常工作，電池組容量應該能夠滿足探測器持續7d 的正常供電。從電池容量密度和環境適應性上考慮，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 將數據上傳到服務站外，現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報警消耗電能。為方便現場操作，按鍵采用磁敏霍爾開關，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，然后讀取先驗數據表，為后續的數據擬合和補償做準備，并為數據的判斷提供依據。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據的處理以及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送模式即實時發送模式和心跳發送模式。在可燃氣體濃度不為0、門禁打開或有系統故障、電池電壓低于報警值的時候，探測器GPRS 進入實時發送模式，不間斷的進行數據上傳，同時現場發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 按照協議規定的心跳包時間間隔進行定時發送，一方面極大的降低探測器功耗，一方面在監控主機上可以方便看出探測器終端是否離線。

在現場也可以用配套磁棒需要進行探測器設置和數據查詢等操作，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、故障數據的查詢。

4 結果與結論

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，太陽能供電系統既避免了鋪設電力線纜的工程有節約了能源，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據的穩定可靠，并可滿足后續計算的需要。高性能32 位STM32 微處理器的應用便于協調外圍電路完成待測氣體濃度的計算、數據存儲、數據傳送、按鍵輸入、LCD 顯示、門禁信號采集、聲光報警控制等，并實現系統的穩定運行。在實際管道閥室安裝中十分順利，在完成氣體校準后持續穩定無誤運行了較長時間，滿足現場使用的要求。