乙二醇泄漏监测的实时报警系统

杨国涛，龙 伟，曾 力

（四川大学制造学院，四川 成都 610065）

0 引言

乙二醇是一种工业价值很高，但也是一种有毒化学物质，一旦泄漏或者溢出对周边的人和生态环境造成相当严重威胁。许多酿酒企业大量需要乙二醇，并采用管道运输，管道多深埋于野外地下，为及时发现泄漏需要每次运输时，派专人巡视和排查，往返一次需要半天时间，耗费大量人力资源，因此，急需一种乙二醇在线监测系统。由于传统乙二醇检测方法价格昂贵，且管道深埋不利于传统的检测方法。根据实地考察和了解，在运输过程中绝大部分泄漏的发生在阀门处，每个阀门都有一个专用的阀井。针对这一情况，通过设计专门的容器［1］，并结合液位传感器，将传统的直接检测乙二醇化学性质，转换为检测乙二醇泄漏的液位值，降低了设备成本和技术难度。

本文设计了一种以液位传感器为核心，单片机（MCU）为数据处理单元，全球移动通信系统（GSM）MODEM为无线远程通信手段［2］，计算机为泄漏显示和报警单元的乙二醇在线监测报警系统。

1 系统总体设计

系统主要由四部分组成:传感器单元、数据处理单元、无线远程通信单元、报警与监测单元［3］，其结构［4］如图 1所示。

图1 系统结构Fig 1 System structure

系统工作时主要会遇到下面3种情况:1）系统未发生泄漏和渗漏时，液位传感器和温湿度传感器的监测值:液位值0，湿度值不变;2）发生渗漏时，由于泄漏的是少量乙二醇，液位值为0，而空气中的水分会被其吸收，造成湿度降低，通过监测室计算机会监测，并提示发生渗漏并发出报警;3）发生大量泄漏时，液位值不再为0，当液位超过10 cm时，计算机会提示大量泄漏并报警。

2 硬件系统组成与功能

2.1 传感器单元

传感器单元主要负责液位的检测和湿度检测作为渗漏信息。

2.1.1 液位传感器

液位传感器采用LMP633系列缆式静压传感器测量范围为0～1m供电电压为12.5～36V，输出信号为4～20mA，精度为0.5%，采用螺纹连接。液位传感器输出信号需要通过转换电路转换为标准的电压信号，如图2所示，并且需要通过实验建立液位和输入电压的关系，通过向容器里加入不同高度的水，并测量输出电压转换后的值，得到如下公式

式中y为测量的液位值，mm;x为液位传感器电压值。液位传感器转换电路如图2。

图2 液压传感器信号转换电路Fig 2 Signal conversion circuit of hydraulic pressure sensor

2.1.2 温湿度传感器

温湿度传感器用于渗漏测量，采用比较常用的SHT71型传感器［6］，供电范围为2.4～5.5 V，传感器输出经过标定的数字信号通过I2C总线与单片机实现通信［5］，连接电路如图 3［7］。

图3 温湿度传感器连接电路Fig 3 Connection circuit of temperature and humidity sensor

图3中，1脚为串行时钟输入口SCK，2脚为电源输入端VDD，3脚为接地脚，4脚为串行数据输入输出脚［8］。

2.2 数据处理单元

单片机单元主要负责采集液位、温度与湿度值，控制GSM单元，将采集到的液位、温度与湿度值发送给工作室里的计算机。系统采用的控制器为性价比非常高的宏晶公司生产的STC12C5410AD型单片机40脚，DIP封装，内部集成512 bytes的内存，工作电压在3.5～5.5 V，该型号自带8路10位高速A/D转换器，对应的端口为P1口，用户可以通过软件设定A/D接口，不需要时可以作为一般的I/O口。需要A/D转换时通过配置寄存器P1M0（地址91H），P1M1（地址92H），很方便地实现将液位传感器的模拟输入量转换为数字量。

2.3 GSM 单元

GSM单元用于无线传送单片机采集到的液位、温度与湿度值，方便企业办公人员及时的掌握各个阀门的工作状况。本文采用的是基于公共无线移动通信网络的短消息技术作为数据传输的方式，采用的WAVECOM公司生产的RS—232接口的GSM MODE，该设备集成了AT指令，用于开发和控制，非常方便［9］。可以通过AT指令表设置设备参数，比如通过AT+CSCA=+8613800280500，就设置好了短信猫的短信中心号码，操作非常方便。

2.4 电源电路

2.4.1 稳压降压芯片

系统电源采用的是24 V可充电锂离子电池，部分芯片电路的供电需要稳压降压芯片，稳压降压芯片选用的是LM2576 系列，输入电压为7～60 V，固定输出值为 15，12，5，3.3 V，还有输出电压可调的型号。例如:单片机工作电压为 5 V，则选用 LM2576—5.0，连接电路如图 4。

图4 单片机LM2576供电电路Fig 4 Power supply circuit of MCU LM2576

2.4.2 电压监测芯片

电压监测用于检测电池、单片机供电、液位传感器供电和短信猫供电情况。采用的是CN1185四通道低功耗的电压检测芯片，工作电压为2.7～6 V，芯片有16个引脚，内部有4个电压比较器，每个比较器的正输入端作为基准电压源，可以用于对同一个电压源就行分级检测或者对4个不同的电压源就行检测，可以通过9脚设置电压翻转阈值，高电平翻转阈值为1.22 V，低电平翻转阈值为1.56 V，输入电压小于阈值，则输出为低电平，连接电路如图5所示。

3 软件系统

GSM MODEM控制主程序结构图如图6所示。

1）系统上电之后，进行参数数据初始化。

2）单片机读取RS—232接口缓存区，判断GSM MODEM是否有返回的数据，没有返回数据，就原地等待;有，就进行判断返回内容。

3）读取GSM MODEM（短信猫）的返回值，辨析返回内容，返回ERROR，说明调用短信猫程序有问题，需要重新调用和修改，如果为CMTI，说明接收到新短信，则调用短信读取程序，读取短信能容;若均不是，则进行下一步判断。

图5 CN1185电压监测电路Fig 5 CN1185 voltage monitoring circuit

4）调用读取短信指令后，如果返回值为GMGR，说明读取短信成功;为ERROR说明读取失败，需重新确认读取地址。

5）调用发送短信指令后，返回值为CMGS说明发送成功;为ERROR，说明发送失败，你需要检查发送指令，接收号码，指令结尾是否正确。

图6 主程序结构图Fig 6 Structure diagram of main program

4 系统测试实验

测试系统采用方便测量的液体高度的开口容器，将液位传感器放入其中，通过向容器中加入不同高度的水，测量容器中水的实际高度，并与短信接收到的液位值进行对比，实验数据如表1所示。

表1中SCZZ100060F153F00F055为实验接收短信数据SCZZ和结尾55为排除干扰短信使用的协议格式，后面依次，1表示1#阀井，后2位00表示当前液位值，再后4位为温湿度值，其他为电压监测值和效验值。将当前十六进制的液位值转换为十进制，再代入公式（1），可以计算出当前液位，分别为00，49，79 mm，当液位等于或者超过100 mm，返回值都为FF，此时计算机已经发出泄漏报警，等待工作人员赶到现场及时处理。

表1 系统测试数据Tab 1 System test data

5 结论

通过系统测试实验表明:本系统能够比较准确获取当前液位值，并能通过GSM MODEM及时地将当前液位值发送给远端的工作室，由于传感器误差，A/D转换误差，所以，监测值和对比值存在一定误差，但对于大量泄漏，1～2 mm的误差并不影响对持续泄漏的监测，通过上述分析和实验，本设备能够实现乙二醇泄漏无线实时的监测，长时间运行稳定，操作方便。

［1］曾 力，黄 劼，杨 艳.乙二醇检测系统底层系统设计［J］.中国测试，2012（2）:93-95.

［2］杨建华，刘 皓，刘文琦.基于GSM/SMS的分布式测控系统的通讯实现［J］.控制工程2005（1）:67-69，76.

［3］富焕章.一种STC电路的实现方法［J］.中国民航学院学报，1990（1）:12-20.

［4］郭 燕.基于STC单片机的氨气测控仪的研制［J］.自动化技术与应用，2012（11）:88-90，95.

［5］朱向庆，陈志雄.远程分布式温湿度实时监控系统设计［J］.计算机测量与控制，2010（1）:55-57，63.

［6］曹柏荣，冯运达，瞿丹霞.无线温湿度测量系统及其应用［J］.自动化仪表，2005（7）:30-31，34.

［7］冯显英，葛荣雨.基于数字式温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统［J］.自动化仪表，2006（1）:59-61.

［8］李建兰，邵建龙，张志宏，等.基于STC12C系列单片机的DS18B20编程［J］.国外电子测量技术，2009（1）:88-95.

［9］娄 辉，黄 海.远程测控中GSM Modem短信开发［J］.电子电器，2006（1）:235-237，250.