基于无线通信的消防管道压力监测系统设计

苏卓宇++秦会斌

摘要：针对传统压力检测记录方法存在的问题，提出一种低功耗消防管道无线压力监测系统的方法。该方法根据低功耗设计理念，对压力采集系统的硬件电路、软件流程进行设计。硬件电路以PIC18F87K90单片机为核心，具有液晶显示、按键开关、无线传输等功能。软件设计实现了温度补偿功能，并简化了外围电路，降低了系统功耗，提高了数据采集精度。最后給出了传感器在测量范围为0～40MPa的测试结果：最大误差为0.04Mpa，可满足系统的精度要求。

关键词：无线通信；压力检测；传感器；低功耗；PIC18F87K90；消防管道

DOIDOI：10.11907/rjdk.171672

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010010405

0引言

目前，消防安全意识越来越深入人心。为了保证消防系统正常运行，在火灾发生时能够及时投入工作，需要对消防设备进行经常性检查维护。消防管道是输送消防用水的管道，是消防系统中的重要一环。随着压力测量的应用越来越广泛，对压力测量仪器的要求也越来越高[13]。数字压力表是在工业、交通运输、航空及许多其它领域广泛应用的一种检测仪表，压力是衡量消防管道是否正常运行的一个重要指标，关系到消防管道的强度和严密性[45]。因此，需要在重要节点、分支、端口等处对管道压力进行检测记录。以往靠人工巡视往往因为数量多、路程远、不方便操作等原因造成漏检、错检，给消防管道的维护带来隐患[68]。由此可见，设计一款远程消防管道检测系统刻不容缓，通过该系统可对管道压力进行自动测量、自动记录及上传数据，并通过数据终端进行分布式查看，具有自动化程度高、测量用时短、维护量小、费用低、节省人工成本等优势。

1系统组成

整个系统由压力表、集中器、服务器和用户终端4部分组成。工作原理如下：消防管道压力由压力表进行测量，然后把压力数据按一定的数据格式（ModBus协议）传送给集中器；压力表和集中器之间通过二线制仪表总线MBUS总线连接。由于集中器安装于现场，一个集中器带有多个压力表，分布范围广、距离远，因此集中器与服务器通过GPRS传递数据；服务器存储压力数据，接受终端查询， 并把来自终端的命令下发到集中器。

图1系统框架

1.1数字式压力表

数字式压力表处于系统最底层，属于下位机部分，需要实现的功能有：①测量功能：对管道压力进行精确测量；②通讯功能：能接受集中器的“读取数据”命令，将数据传输给集中器。

1.2集中器

集中器在数据传输中起承上启下作用，需要实现的功能有：①与压力表的通讯功能：对压力表进行参数配置，读取压力表测量结果；②与服务器的通讯功能：接收服务器或用户通过服务器发送的压力表测量命令，读取压力数值并进行存储、上传处理。

1.3Internet服务器

Internet服务器负责连接集中器和用户终端，需要实现的功能有：①与集中器的通讯功能：转发用户终端对压力表的测量命令给集中器；向集中器发送“读取数据”命令，并将接收到的数据存储到数据库；②数据库功能，对压力表数据进行存储维护；③C/S结构的服务器功能：接收用户终端的“数据查询”命令，读取数据库信息，并提供相应数据。

1.4用户终端

用户终端处于系统的最高层，负责人机交互，需要实现的功能有：①以适当的格式显示压力表数据；②判断数据是否超限、压力表工作是否正常，并给出报警信息。

2数字式压力表设计

本文目标为设计一款高精度、低功耗的数字压力表，压力表量程是0～40.000 MPa，精度为0.2%，因此其对于压力校验设备、压力容器配套、自动化产线检验等更加适用。设计总体框图如图2 所示，外围电路主要包括MCU 模块、压力传感器模块、液晶显示模块、电源数据采集和按键电路等。压力传感器模块采用NKP191 型压力传感器，与目前市场上大多数数字压力表使用的陶瓷压阻式传感器和陶瓷电容压力传感器不同，它是扩散硅压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器比陶瓷压阻式传感器内阻小，且稳定性和精度更佳，与陶瓷电容压力传感器相比，其价格更便宜，安装也更加简便。总体而言，NKP191 型压力传感器各方面比较平衡。设计的压力表另外一个优点是具有液晶显示模块，LCD 液晶由单片机直接驱动，可以去除LCD 驱动芯片，简化外围电路。

2.1信号放大电路

压力传感器采集压力信号并转换为电信号，再经过信号放大电路处理，传入单片机的模拟通道，虽然选用的压力传感器输出信号较大，但其差值信号很小，大约只有毫伏级别。由于单片机无法直接采集传送该压力信号，因此单片机与压力传感器之间需要有一个放大器模块。本数字式压力表采用的放大电路模块是基于Microchip公司MCP6001芯片的差分放大电路，通过对压力传感器两个输出引脚的压力信号作差分运算，即将小信号作适当的放大处理，之后输送给单片机进行处理。

如图3所示是放大电路模块的差分放大电路图，压力传感器两个输出端的V+和V-信号经过差分运算放大器放大，然后传送给单片机的模拟信号采集通道引脚AN1进行信号采集。其中，运算放大器供电电源引脚和PIC18F87K90单片机AD模块的外部参考电压引脚都和单片机的RC7引脚连在一起，从而保证两部分供电电压的一致性。然而，由于供电电源是两节干电池，共3伏，长时间使用后会导致电压下降，导致供电电压不稳定，最后导致模块工作的不可靠性，从而影响了系统压力采集的准确性。为了消除这一影响，在供电电源与模块之间加入了D1稳压二极管LM4040的稳压器，可使运算放大器的供电电源和单片机AD模块的参考电压长期保持在一个恒定状态。

2.2显示驱动电路

由于PIC18F87K90内部集成了LCD驱动电路，不需要额外的驱动电路，从而简化了电路结构。该单片机通过产生时序控制来驱动静态和复用的LCD面板，只需配置单片机内部的一些寄存器，即能实现LCD液晶屏显示的动态修改，能驱动最多具有4个公共端和32个段的面板，还可以控制LCD像素数据，其内部的7抽头梯形电阻还可以动态改变对比度，使图像显示更加清晰。endprint

为了实现功耗低的目标理念，需要让MCU产生合理的LCD驱动时序波形。PIC18F87K90单片机能够提供两种驱动波形：A型波和B型波，如图4所示是在1/4 复用、1/3 偏置驱动时的A 型波形，如图5所示是在1/4 复用、1/3 偏置驱动时的B 型波形。然后可以通过设置参考梯形电阻使LCD偏置电压不同，从而改变LCD 驱动波形的功耗，使其中一种波形处于正常功耗工作模式，另一种波形处于低功耗工作模式，然后两种波形复合使用，以达到降低整体功耗的目标。

从图中可以看出，A型波形和B型波形两者的区别在于相位改变的位置不同，A型波形的相位改变是在每个公共端类型处发生改变，这样一帧波形中整个驱动电路的平均电压即为零，但是B型波形相位的改变是在每个帧的边界上发生的，从而导致需要两个帧才能够维持平均电压为零。

3集中器

集中器主要起到承上启下的作用，通过GPRS模块接收服务器传来的命令，然后通过MBUS总线与压力表进行通讯。集中器上电后首先要读出存储在E2PROM中的GPRS拨号参数、串口波特率、Internet服务器IP地址等工作参数，对GPRS模块进行设置。如果顺利，GPRS此时即可登陆GSM网络。然后单片机给GPRS发送拨号上网的AT指令，GPRS进行PPP拨号。GPRS模块通过Internet服务器的IP地址以及端口號等参数向服务器发起TCP或UDP通讯请求，在得到服务器响应后，GPRS模块则认为与中心握手成功，即可实现GPRS与Internet公网服务器的通讯。如果通讯连接中断，GPRS立即重新与服务器握手。GPRS模块中的数据传输是透明传输，GPRS模块接收到单片机的串口数据，则立即把数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给服务器。反之，当GPRS模块收到服务器发来的TCP/UDP包时，从中取出数据内容，立即通过串口发送给集中器。Internet服务器可同时与多个集中器进行双向通讯。另外对GPRS模块还有以下要求：支持自动心跳，保持永久在线，实时监测网络连接情况，具有看门狗技术与掉线自动重拨功能，永不关机。

4MBUS总线

MBUS总线是一种用于远程仪表读取数据的欧洲标准，具有如下特点：①两线制总线，不分正负极，施工简单；②单用独特的电平特征传输数字信号，抗干扰能力强；③总线可以为每一个通信节点提供3.3V/3mA的稳压电源，为仪表提供2种供电方式；④可采用任意总线拓扑结构，系统组网成本低、扩展灵活；⑤总线采用12～42V电源供电，具有本质安全的特性；⑥专门设计的保温格式可满足计量仪表联网和远程读数需要；⑦通讯过程完全由主机控制，任一通信节点故障不影响整体总线。MBUS总线的上述特点很好地满足了本系统测点分散、压力表分布范围广等要求。

使用MBUS网络，不但可以进行通讯传递数据，还可以对压力表供电，解决了电池供电时间短、需要经常更换的问题。

5软件设计

5.1压力采集软件设计

图6为压力采集部分软件设计框架，其实时采集压力数据并显示，程序中每隔一段时间会开启相应的定时器中断溢出标志，使程序开启A/D模块进行数据采集。首先采集放大后的电压信号，输送到单片机内部，然后把处理好后的数据显示在LCD液晶屏上。

5.2温度补偿系数

由于压力传感器在测量过程中受到环境制约，存在温度漂移和零点漂移的缺点，严重制约压力传感器的测量精度和应用范围，因此需要对其进行温度补偿。然而对零点漂移和灵敏度漂移的补偿存在交叉影响，给补偿工作带来一定难度。本系统中由于没有硬件上的温度补偿电路，所以在压阻式压力传感器工作时，单片机内部单元首先测量出当前环境的温度数据，然后查出预先在单片机EEPROM中存储的常温下的温度数据，最后利用如下的运算函数关系得到最终的温度补偿系数t：

当|T1-T0|≤PCK时：

t=|T1-T0|PCKK＼-1（1）

当|T1-T0|≥PCK时：

t=K＼-1+（|T1-T0|-45）PCKK＼-2（2）

其中，PCK是之前人为设定的温差，可以作为两段温度补偿曲线的分界线；在公式（1）、（2）中，K＼-1、K＼-2是系统设定的温度补偿系数，可以通过按键进入修改；t是最终得到的温度补偿系数。

5.3数字信号处理

由于输出压力与压阻式压力传感器输出的电压信号之间没有严格的线性关系，需要将输出压力与压力传感器输出电压信号之间的曲线分成若干段，每一段小曲线可以使用一段端与端之间的直线代替。因此，采用分段线性插值法来拟合逼近曲线，如图7所示。

分段线性插值原理是将每个相邻节点用直线连接起来，形成一条新的折线即是分段线性插值函数，可以记为I_n （x_i ）=y_i。其中I_n （x）在每一个区间[x_i，x_（i+1）]上面都是线性函数（i=0，1…n-1），从而可以得到以下的线性插值函数：

I＼-n（x）= ∑ni=0yili（x）（3）

li（x）=X-Xi+1Xi-Xi+1（4）

由于工作环境必然会受到温度影响，以及压力传感器本身设计的局限性，必然会出现温漂问题。因此，在没有硬件补偿电路设计时，必须加入软件补偿，通过加入温度补偿系数t进行修正，提高精确度。图8为软件补偿设计框图。

最终得到的是输出压力与压力传感器电压信号、温度补偿系数t之间的二元函数，其表达式为：

y=f（u，t）（5）

公式（5）中，u表示压阻式压力传感器的输出电压信号大小，t表示修正过的温度补偿系数，y即是最终得到的输出压力值，从而达到消除温度对压力监控系统影响的目的，最终得到可靠又准确的压力值。

5.4信号发送

集中器通过MBUS网络向各压力表轮训测量结果，判断压力值是否在正常范围内，如果超限则立即通过GPRS向服务器报告数据异常，触发紧急响应机制。如果没有异常则保存数据，等待服务器查询。endprint

5.5终端接收软件

本系统设计的终端软件是一款基于Andorid平台的APP，采用面向连接的、可靠的传输层通信协议TCP，TCP通信主要是基于SOCKET套接字来完成。图10为客户端与服务器的通信过程，

6实验结果及分析

本次实验测量的主要技术参数如下：测量范围是0～40MPa；系统供电电源为2节干电池，电压为3V；压力传感器的安装接口是M20*1.5；准确度为0.2级；检验温度是25±2℃；测试时环境湿度为%65RH；在整个压力测试过程中，电压波动范围为2.8～3.1V，大气压力为101KPa。测试数据如表1所示。

从表中数据可以得出，数据线性稳定，与标准压力表测量的数据之间存在一定误差。分析产生误差的主要原因是傳感器通电时间长引起热漂移，从而导致采集数据产生一定偏差。但由示值最大误差可以得出，最终误差仍然可以达到精度要求。

7结语

本文设计了一种基于无线通信的消防管道压力采集系统，针对传统人工巡视记录由于存在数量大、路程远、不便操作等缺陷，从而造成漏检、错检的问题，提出了一种无线通信的解决方案。基于无线通信的压力监测系统具有功耗低、精度高等特点，可以提高对消防管道的监测效率，并且保证了较长的使用寿命。该系统对管道压力进行自动测量，自动记录、上传数据，并通过数据终端进行分布式查看，具有自动化程度高、测量用时短、维护量小、费用低、节省人工成本等优势。

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责任编辑（责任编辑：黄健）endprint