基于太阳能充电的无线远程监控氯气泄漏系统
2013-12-22王金辉周巧娣徐勤利蒋科学陈文华
王金辉,周巧娣* ,徐勤利,,蒋科学,陈文华
(1.杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;2.浙江清华长三角研究院,浙江 嘉兴314006)
对于现代工业迅速崛起,氯气的使用遍布化工,纺织,农业等多个领域。无论是作为氯气的生产厂家还是对于大规模的氯气使用厂家,氯气的运输和存储都是至关重要的。氯气的大量外泄会导致无法估计的财力损失和威胁他人的人身安全,所以能够及时的检测氯气的泄漏,做到现场报警避免工人接触泄漏气体而导致气体中毒和远程报警以达到厂家消除隐患是非常重要的。
对于氯气泄漏的检测,通常的方式是人为持有便携式仪器到现场进行检测,这样既存在一定的危险性,也不能对氯气进行全天候检测。对于市场上已经投入使用的便携式氯气检测仪[1],虽然携带方便,但是需要人力每天定时检测,不能够实现实时检测的效果。
本开题开发的基于太阳能充电的无线远程监控系统,通过太阳能给系统供电,并且实现系统现场报警以及远程监控,对氯气泄漏实现实时检测,避免因为人为检测时间差导致氯气泄漏无法检测所造成的危险事故。
1 系统设计
该无线远程检测氯气泄漏的系统,采用电化学传感器[2]对泄漏气体进行检测获取电流信号。系统设计首先将电流信号通过I/V 转换电路转换成电压信号,再经过电压放大电路放大输入到微控制器MSP430 的ADC(模/数转换器),经MCU 处理分析后将信息通过无线模块传输给远程服务器端,同时启动现场报警功能,实现现场和远程报警。考虑到检测氯气泄漏只是一种偶然事件,而不是一种实时大数据传输,所以系统中使用GSM 而不使用GPRS。
系统是通过太阳能电池板[3]和锂电池[4]双电源进行供电,白天太阳能电池板对电路供电的同时对锂电池充电,夜间或者阴天则使用锂电池对电路供电。由于采用MSP430 这一低功耗的微处理器,系统可以在没有太阳能电池板供电的情况下使用锂电池供电2 周时间,确保系统能够正常运行,实现对氯气泄漏进行全天实时监测、现场以及远程报警的功能。图1 为系统的整体结构图。
图1 系统整体结构图
2 硬件电路设计
系统硬件电路主要包括系统电源电路、传感器信号采集及调理电路、太阳能电池板充电电路、现场报警以及无线GSM 数据传输电路[5]。
2.1 系统电源设计
该系统采用MSP430F149 微处理器[6],16 bit 的RISC 结构,片上资源包括16 kbyte 的FLASH和2 kbyte 的RAM 以及8 路12 bit 的200 kbit/s 的高速ADC 等,且有低功耗的优点。
MSP430F149 单片机供电电压是3.3 V,因此系统供电是由LM2576-5 V 经过LM1117-3.3 V 转换而来。锂电池输出电压不能满足LM2576-5 V 的输入电压范围要求、太阳能电池的供电电压受光照的影响较大及传感器调理电路中需要12 V 对功放供电,因此采用了升压芯片将锂电池以及太阳能电池输出的电压进行升压以满足要求。由于信号采集电路中需要双极性±12 V 的电压,所以需要通过DCDC 芯片将12 V 电压转换成±12 V。
2.2 传感器信号采集及调理电路设计
本文选用三电极电化学式传感器CL2-A1,该传感器能够在-20 ℃~50 ℃的环境下正常工作,灵敏度范围是-350 nA/10-6~-650 nA/10-6,能够有效响应低浓度氯气;响应时间小于40 s,能够快速地对氯气泄漏做出响应。
三电极工作体系[7]中,传感器的工作电极W 是虚地,电压信号施加在参比电极上,从而构成相对于参比电极RF 的工作电极的电位变化。而电流则通过对电极C 形成回路。
对该传感器输出纳安级的电流信号,电路中选用双运放OPA2227 和AD711 来搭建恒电位仪,两个芯片的供电电压是±12 V。VAD 连接信号处理模块的采集部分。AD711 主要实现的是I/V 转换[8],把传感器输出的电流信号转换成电压信号,以供ADC 采集处理。三电极的体系要求参比电极与工作电极的电位差严格的等于输入的控制信号。由于参比电极上多少会有一定的内阻,OPA2227 的一个运放接成电压跟随器,使之具有较高的输入阻抗,从而保证电流不会流入参比电极,导致电压损耗和参比电极的钝化。该设计电路电流检测精度达到90%。
传感器前置电路输出的模拟信号一般要经过滤波和放大才能进入A/D 进行数模转换,这就需要在A/D 和传感器前置电路之间有一个信号调理电路。系统中的信号调理电路如图2 所示。
图2 传感器信号调理电路
电路所选运放为TLC2274 的四运放轨到轨芯片,其主要特点是低噪声,高增益带宽积2.5 MHz,低输入偏置电流,典型值1 pA 等,常用作模拟信号提取的前级线性放大。图中R20和R24决定放大倍数,放大倍数与这两个电阻的关系如式(1)所示:
式中n 代表放大倍数,通过调整R20和R24的值,调整信号的线性放大倍数。本次设计将信号线性放大2 倍。
2.3 太阳能电池板充电电路设计
该系统采用太阳能电池板作为电源供电,太阳能电池板充电电路如图3 所示。系统选用20 W 多晶硅电池板和充电锂电池组LIR18650,由于太阳能电池板产生的电压受光照影响较大,采用了锂电池充电作为备用电源。本设计采用简单充电电路设计,实现太阳能供电和充电,并实现没有光照的情况下,由锂电池供电。
图3 太阳能电池板充电电路
太阳能电池板的输出工作电压为17.3 V(对12 V 系统),稳压芯片选择LM2576-ADJ,因为它的输入电压范围为7 V ~40 V 能够满足所选用的太阳能电池板输出的电压要求。另外GSM 模块的供电以及锂电池充电电压都是需要纹波较小的4.2 V,选择LM2576-ADJ 正好满足要求,输出电压可以通过R3和R7进行调解满足要求,除此之外设计中加D2二极管防止电流,避免了电流回流对LM2576-ADJ造成的不必要的损害。
2.4 无线数据传输模块设计
无线数据传输报警是以发送短消息[9]的方式,将现场数据传输给远程控制端,从而实现远程监控的功能。无线数据传输模块选择法国的Q2403A[10]模块,结构如图4 所示。
图4 无线模块连接图
Q2403A 模块是通过串口的形式[11]与MSP430进行连接。首先在模块与控制器MSP430 进行连接时,模块的TX 与RX 分别连接的是MSP430 的TX和RX 引脚,这与一般串口交叉连接的方式不一样。其次电路设计时模块的TX 和RX 引脚直接跟MSP430 连接,因为模块数据的信号电平是TTL 电平而不是RS232 电平,这里不需要外加电平转换芯片。Q2403A(工业级)的4 个引脚需要接地,否则信号不会通过天线发射出去。
考虑系统的可控性和可调试性的要求,采用MSP430 控制Q2403A 的RESET 引脚的方式,避免Q2403A 模块的发送失败。
2.5 现场报警电路设计
采用声光报警器作为现场报警装置,报警电路如图5 所示。当检测到现场氯气泄漏时,报警功能启动以避免工人接近泄漏区导致危险。系统中选用12V 供电报警装置,通过开关量控制启动报警装置。
图5 现场报警电路
当MSP430 引脚输出为高电平时,三极管S8050导通,驱动光电耦合器TLP521 打开,后级NPN 型功率达林顿管TIP142 导通,执行器接入供电电压回路开始工作;当引脚输出为低电平时,供电回路断开,报警装置停止工作,由于报警装置具有电感特性,上电工作时会产生反电动势,采用二极管IN4007 可以起到续流保护作用。
3 系统软件设计
系统软件部分设计主要由信号采集模块程序和启动报警程序以及无线数据传输程序。信号采集程序主要是通过实现MSP430 的ADC 功能模块,报警以及数据无线传输主要是通过I/O 口控制和USART 数据传输给GSM,然后有其发送给远程终端设备。
3.1 信号采集模块程序设计
信号采集模块程序是在IAR Embedded Workbench V6.0 开发环境下由C 语言开发的,其中包括ADC 模块初始化,使能ADC 转换功能,其中A/D 模块的采样频率设置为1 Hz。
传感器检测到氯气将会产生电流信号,经调理后转换为电压信号,MCU 将ADC 采集的数据处理后存储到相应数组并传输给GSM,由GSM 模块传输到终端检测设备。为了使测量准确、稳定,对被测量数据进行多次测量,这些测量值的误差可以认为是随机散布在被测量的周围。因此,对被测量值进行多次叠加平均运算处理,就会消除或者减小随机误差。若进行m 次重复测量,择测量值xi(i=1,2,…,m)的总体平均值为:
式中X 表示总体平均值;m 为重复测量次数;xi为每次测量值。本次程序重复采集8 组数据进行叠加平均计算处理。如果没有采集到相应的传感器转换来的电压信号,数组中的空置数据将不会发送出去。信号采集程序流程图如图6 所示。
图6 信号采集程序流程图
3.2 报警及无线数据传输程序
报警与无线数据传输程序开始是上电初始化,完成后进行通用I/O 的初始化,之后是串口通信初始化,GSM 模块初始化,最后是相应功能的实现。报警程序是通过MSP430 通过普通I/O 口发送高低电平来控制隔离芯片TLP521 开关报警装置。当有传感器信号时,就触发MSP430 的P1.2 端口发送高电平,开启报警器,实现现场报警的作用。
无线数据传输程序是当有传感器信号之后,MSP430 的内容ADC 会对信号进行采集处理,之后MSP430 会通过向GSM 模块发送AT 指令[12]确定数据传输的目标地址(数据接收地址),格式如“AT+CMGS=+8613XXXXXXXXX”,当有>_回显时,填充相应的短信内容(报警信息和ADC 采集信号量),以0x16 结束短信内容,最后将数据发送给远程终端设备。在在未完成ADC 数据转换或者未处理完泄漏气体之前,传感器会持续发送检测到的数据信息,信息最后发送的是电压值,随着气体浓度的增加电压会随着变大,以实现信号量的大小来反映泄漏气体量的多少。报警及无线数据传输程序流程图如图7 所示。
图7 报警及无线数据传输程序流程图
4 系统调试
将系统放于通风处,分别通入不同浓度的氯气标准气体,仪器的测量数值会通过GSM 模块发送到无线接收模块。太阳能电池板和锂电池作为系统供电电源,分别处于光照和黑暗条件下进行长时间的测试。锂电池能够充电,在黑暗情况下,系统可以正常运行。对于不同浓度氯气的测试,系统会启动报警装置。
无线接收模块将接收到的数据通过串口发送到上位机。调试过程中将程序设定为每10 s 发送一次数据,测试软件横坐标表示时间,纵坐标表示测得电压值。
测量2 组不同浓度氯气标准气体,仪器的测量数值、相对误差等结果见表1。
表1 实验结果
从测量结果看出:实测数据的相对误差在2%左右。
根据测量,经过I/V 转换电路电压变化如图8所示。
图8 氯气检测电压变化曲线
5 结论
由于使用超低功耗微控制器MSP430F149,可以有效的减小系统在夜间运行时的电能消耗。该系统远程监控避免了近距离定期现场检测的危险性,具有一定的可行性。
[1] 周永清.袖珍式氯气报警仪的设计[J]. 传感器技术,2004,23(11).
[2] 邬晓梅,李丽,李军亮,等. 氯气传感器的研究[J]. 化学传感器,2003,23(1).
[3] 段中华,韩旭同,郭岱洁.基于MSP430 单片机的太阳能电池自动跟踪阳光系统[J].北京电力高等专科学校学报,2010(9).
[4] 王非,刘昊,田晓明.手持终端设备中的锂电池充电技术[J].电子器件,2004,27(4):755-758.
[5] 孔超.基于GSM 无线网络的远程数据传输系统[D]. 南京:南京理工大学,2007.
[6] 沈建华,杨艳琴.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用[M].1 版.北京:清华大学出版社,2006.
[7] 张延军,刘敬彪,蔡强.基于嵌入式系统的电子鼻研制[D]. 浙江:杭州电子科技,2010,9.
[8] 郭晓宇,刘敬彪,刘纯虎. 基于酶电极的有机磷农药检测仪[J].仪表技术与传感器,2009,2(2);25-28.
[9] 程丽平,刘瑞国. 基于短信平台的城市集中供热网监控系统[J].电气技术,2008(8):60-67.
[10] 金法华.基于WAVECOM Q2403A 模块短信终端的设计与实现[J].淮阴师范学院学报,2009,8(4):293-296.
[11] 马洪涛,赵国良,张仁彦. 远程监控系统中的无线数据传输[J].黑龙江科技学院学报,2005,15(5):312-314.
[12] 郭启军.基于GPRS 的无线数据传输系统的研究与设计[D].浙江:浙江师范大学,2009,6.