基于GPRS無線傳輸的車載LNG氣瓶監測系統研究

佘世剛 朱明亮 袁崢崢 趙宇 胡月娥

摘? 要： 為了確保LNG動力汽車的安全穩定運行，提出一種基于GPRS無線傳輸的車載LNG氣瓶監測系統。該系統以STC51單片機為主控芯片，主要設計甲烷濃度采集電路、溫度采集電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路、GPRS無線通信電路等，可把測量的數據通過GPRS網絡發送到服務器中，最后將傳輸的數據在LabVIEW平臺上處理后顯示，實現氣瓶安全的在線監測。實驗結果表明，該系統可準確地檢測甲烷濃度值及罐體與環境溫差，在不良狀況時能及時有效地報警，達到實時預警的目的。

關鍵詞： LNG氣瓶檢測; 系統設計; 無線傳輸; 在線檢測; 數據分析; 實時預警

中圖分類號： TN926?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）08?0101?04

Study on vehicle LNG cylinder monitoring system based on GPRS wireless transmission

SHE Shigang， ZHU Mingliang， YUAN Zhengzheng， ZHAO Yu， HU Yuee

（School of Mechanical Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract： A vehicle LNG cylinder monitoring system based on GPRS wireless transmission is proposed to ensure the safe and stable operation of LNG hybrid electrical vehicle. In this system， the STC51 single?chip microcomputer is used as the main control chip， and the methane concentration acquisition circuit， temperature acquisition circuit， LCD display circuit， buzzer alarm circuit， GPRS wireless communication circuit and so on are designed mainly， which can send the measured data to the server through GPRS network. The transmitted data is displayed after processing on the LabVIEW platform to realize the on?line monitoring of cylinder safety. The experimental results show that the system can accurately detect the methane concentration value and the temperature difference between the tank and the environment， and can give an alarm timely and effectively in the bad conditions， so as to achieve the purpose of real?time warning.

Keywords： LNG cylinder monitoring; system design; wireless transmission; on?line monitoring; data analysis; real?time warning

0? 引? 言

隨著能源危機的不斷加重，天然氣作為一種清潔能源被廣泛用于各種動力系統，尤其是液化天然氣（LNG）動力汽車。但在實際的使用中，由于氣瓶的使用年限變長、車況路況不佳產生震動等都可能導致LNG氣瓶的損壞，此時氣瓶內膽的液化天然氣受熱急劇氣化，輕則導致安全閥頻繁跳起，浪費能源;重則導致嚴重的安全事故。因此保障其在使用過程中的安全顯得十分重要[1]。目前，LNG氣瓶的檢測大都是在檢測機構完成的，所以這種方式不能對未送檢的氣瓶進行安全監測，但隨著LNG動力汽車的保有量變大，使用年限變長，日常行駛中的LNG動力汽車將會是一個重要的安全隱患。針對此，本文設計了一種基于GPRS的車載LNG氣瓶監測系統，以期實現對氣瓶實時預警的目的。

1? 監測系統概述

本文系統主要由傳感器采集數據裝置、數據接收處理裝置、數據發送裝置、顯示報警裝置和上位機監測裝置5個部分組成。傳感器組把采集到的數據經電路處理后送進單片機，單片機將這些數據實時顯示在車載LCD上并通過無線網絡實時傳輸到上位機上，當測量數據超出設定值時，系統能及時報警提醒司機和監管人員注意。

為了提高系統的監測精度，需要對傳感器的放置位置進行研究。通過分析近年來LNG汽車燃氣泄漏案例，燃氣泄漏主要集中在兩個方面：一是儲氣瓶出口連接處、減壓閥連接處，閥門腐蝕等;二是氣瓶夾層的真空度破壞，氣瓶的絕熱性能下降或失效，罐體出現“冒汗”或結霜現象[2]，此時罐體溫度與環溫相差較大。同時考慮到甲烷密度小于空氣密度，天然氣泄漏后會漂浮在相對密封空間內上方。所以應將氣體傳感器布置在氣瓶箱內有接口一端附近的上方，溫度傳感器固定在氣瓶表面。

2? 系統硬件的設計

傳感器采集電路、數據處理電路、顯示報警電路、無線傳輸電路及供電電路構成了監測系統的硬件部分。其硬件總框圖如圖1所示。

2.1? 氣體傳感器數據采集電路

本系統選擇半導體氣體傳感器來準確測量氣瓶附近天然氣濃度，經過選型分析，最終選擇MQ?4氣體傳感器。該傳感器采用在潔凈空氣環境電導率偏低的二氧化錫（SnO2）為氣敏材料，能監測多種可燃性氣體，尤其對天然氣的監測尤為敏感，是一款低成本的多用途傳感器[3]。MQ?4氣體傳感器電路比較簡單，分為加熱部分和檢測部分。其中VH 處接直流電源，一為傳感器提供特定的工作溫度，二為測試電路提供電壓。由于本設計需要根據AOUT的電壓顯示氣體濃度值，但51單片機本身不自帶A/D模塊，所以需再設計ADC轉換電路。綜合考慮選擇ADC0832作為A/D轉換芯片，其是一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片，采用的是5 V供電，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容。氣體傳感器與ADC0832的連接如圖2所示。

2.2? 溫度傳感器采集電路

為了確保系統的穩定性，及時檢測氣瓶絕熱性能，本文還對氣瓶外殼和環境溫度進行了測量。綜合各方面因素考慮，本文選擇了DS18B20溫度傳感器，其具有耐磨耐碰、體積小、封裝形式多樣、支持多點組網等特點。此外，其測溫范圍廣，在-55～125 ℃之間，同時具有可編程分辨率功能，最高可分辨溫度為0.062 5 ℃，可實現高精度測溫;獨特的單線接口方式，實現了用一根線即可與單片機雙向通信。

2.3? LCD顯示、報警電路

為了讓駕駛員實時了解氣瓶安全情況，在出現問題時及時收到報警信息，本文還設計了數據顯示、報警的電路。綜合考慮，本文選擇LCD1602液晶作為顯示模塊，選擇無源蜂鳴器作為報警模塊。LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模塊，使用起來也比較方便，其中RS引腳為數據/命令選擇端，R/W為讀/寫選擇端，D0～D7為數據I/O[4]，可通過程序設定數據總線為4位或8位。另外，本文還選擇了無源蜂鳴器作為報警模塊，外圍電路比較簡單，只需用2～5 kHz的方波驅動。相比于有源蜂鳴器，其具有價格便宜、聲音頻率可控等優點。

2.4? GPRS無線通信電路

GPRS又稱通用無線數據分組業務，是在GSM基礎上改進的無線傳輸系統，有傳輸速度快、通信協議多、使用成本低等特點[5]。本系統選擇SIMCom公司的SIM900A作為通信芯片，將監測到的數據實時傳送給服務器。SIM900A是一款外形小巧、性能穩定、性價比高的GPRS模塊，是一個2頻的GSM/GPRS模塊，內嵌TCP/IP協議，單片機通過串口發送AT 指令即可控制，實現語音、短信、數據的傳輸[6]。本設計使用的是SIM900A的數據傳輸功能，在使用時需將模塊的TXD，RXD分別與單片機的RXD，TXD相連。

2.5? 單片機最小系統及系統硬件圖

本系統采用宏晶公司生產的STC89C516作為主控芯片，用來控制外設及數據處理。其是一個8位的處理器，擁有4 KB ROM、128 B RAM、4個8位并行口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器、5個中斷源，支持串口通信[7]。晶振電路和復位電路是單片機最小系統的重要部分。晶振電路主要為系統提供時鐘，復位電路主要用來保障系統程序穩定運行。單片機最小系統及外圍連接電路如圖3所示。

3? 監測系統程序設計

基于GPRS無線傳輸的車載LNG氣瓶監測系統程序設計是本文系統的重要組成部分，主要對微控制器、傳感器、SIM900A等硬件進行初始化、數據處理以及上位機軟件設計。

3.1? 下位機程序設計

為了方便調試及移植方便，下位機的程序是通過Keil μVision4軟件編寫的[8]。主要分為硬件初始化和數據處理兩個部分，流程圖如圖4所示。

3.1.1? 硬件初始化程序

首先對微處理器C51進行初始化，包括定時器的工作方式及初值，開放相應的中斷源的中斷并設置優先級，配置串口相應工作方式及波特率等;外設初始化包括氣體和溫度傳感器、報警顯示模塊、無線通信模塊的初始化。

3.1.2? 數據處理程序

此部分主要對傳感器節點采集到的數據進行處理。DS18B20上電狀態下默認的精度是12位，在總線控制器發出[44h]命令后，轉化后得到的數據12被存儲在兩個8位的RAM中，高5位為符號位，分辨率為0.062 5，正溫度把十六進制數轉成十進制即可;負溫度把十六進制數取反后加1再轉成十進制數。

此外系統中需顯示天然氣的濃度值，那么就需要知道電壓升高與被測氣體濃度增加的關系。實測在無天然氣的環境下，AUOT端電壓為0.5 V，當檢測到天然氣時，電壓每升高0.1 V，實際被測氣體濃度增加200 ppm 。同時由于氣體傳感器靈敏度受溫度的影響較大，所以為了提高系統的監測精度，增加軟件修正進行溫度補償[9]。

3.2? 上位機程序設計

上位機采用LabVIEW圖形化編程語言實現對監測的編程，LabVIEW是由美國NI公司創立的一個功能強大而靈活的儀器和軟件應用開發工具。其顯著特點是可以利用前面板設計非常直觀的人機交互，程序框圖設計采用的是圖形化源代碼，是基于VI的模塊化設計。

3.2.1? 對數據庫訪問設計

LabVIEW有多種方式來訪問操作數據庫，本設計選擇通過LabSQL的方式，LabVIEW只需調用子VI即可對數據庫操作。另外數據庫的種類有多種，LabSQL也不僅僅支持一種，為了使用方便，本文選擇了Mierosoft Access數據庫[10]。