生产环境远程预警系统设计

陈 磊，王 维

(1.中国石油北京兴油工程项目管理有限公司 吉林省分公司，吉林 吉林 132022；2.大连化工集团有限公司，辽宁 大连 210200)

随着科技的发展，越来越多的智能产品代替了人工，生产力也大大的加强，与此同时有一个安全生产的环境也越来越重要.环境检测技术系统被广泛的应用于日常生产和生活中.由于环境监测点通常位置很分散、地理条件很复杂、无人值守等，因此人工抄取各监测点数据很不方便、执行效率很低，且有线方式收集各检测点数据投入大、布线复杂麻烦、传输距离有限，很难形成完善的监控网；而且布线中存在有短路、断线等隐患，且成本高、易老化，错综复杂的线缆还给系统的调试和维护增加了很大难度.同时对于一些需要临时使用的传感器，搭接线路十分不便.因此，无线生产环境监测系统能够满足数据通信要求、可以解除监测现场的线缆搭接复杂困难的困扰，为环境监测带来了便利[1,2].本文设计了一款基于STC 89C52RC单片机的便携式无线生产环境监测系统.本系统由监测终端和探测终端组成，探测终端采用STC89C52RC单片机、无线收发电路光照、温湿度及烟雾传感模块组成，实现环境温湿度和光照信息的探测以及环境中有害气体、烟雾的探测；监测终端以STC89C52RC单片机为控制中心系统配有无线收发电路、液晶显示及报警电路，可完成与探测终端无线传输及显示报警功能.

1 系统总体结构

监测系统由上位机和下位机组成.下位机主要负责环境信息的采集，上位机完成预警功能.系统主要包括三大模块：第一模块是数据采集模块，主要包括：温湿度采集、光照强度采集和烟雾浓度采集.温湿度测量采用数字式温湿度传感器DHT11，单总线输出数字量给单片机；光照强度测量采用BH1750传感器，将采集的数字信号输出送入单片机；烟雾浓度测量模块采用MQ-2传感器，由于采集输出的是模拟信号，故采用AD后送入单片机.第二模块是无线传输模块，主要完成采集模块的数据传输和接收功能.两个模块都是采用NordicVLSI公司推出的单片机射频收发器nRF24L01作为主控芯片，经软件编程根据需要可实现其接收发的功能.第三模块是数据处理显示模块，其主要内容是接收模块经nRF24L01将数据接收，并传给接收模块处理器，单片机处理数据后送显示.系统结构框图如图1所示.

图1 系统的总体结构框图

工作原理：采用STC89C52RC单片机作为控制核心，探测端(下位机)可通过按键设置各项参数的界限，通过传感器检测将所测温湿度、光照强度、烟雾浓度等数据送入到单片机，单片机将各个参数的测量数据经处理后通过无线发射模块发出，监测端通过无线接收模块接收探测端发来的各项测量数据，经处理后在显示屏上显示，同时，当测量值超过设置界限时，监测端启动声音报警及短信报警，以此来通知工作人员.

2 硬件电路设计

整个系统由电源电路、光强检测电路、温湿度检测电路、烟雾浓度检测电路、无线收发电路、串口电路、GSM短消息电路和显示报警组成.采集电路采集生产环境信息，电源电路为整个系统供电，无线通信模块实现采集信息的传递，显示报警用于显示测量值并实现超限报警.

2.1 温湿度检测电路设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器.它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，采用单线制串行接口通信，抗干扰能力强、信号传输距离可达20米以上.DHTII的DATA口直接与单片机的IO口相连完成数据采集[3].电路如图2所示.

图2 DHT11与单片机接口电路图

2.2 烟雾检测电路设计

MQ-2烟雾传感器是一款高灵敏度的气体检测传感器，它被广泛的用于工农业的现场气体检测当中.由于MQ-2传感器采集出的信息是模拟信号，因此设计中采用8位逐次逼近模数转换器ADC0832模数转换器完成烟雾信息采集.在进行单片机和ADC0832的连接时，由于DI和DO并不是同时使用，所以DI和DO可以共用单片机的一条I/O线，再加上一条片选线和一条时钟线就可以实现单片机和ADC0832连接[4].烟雾检测电路如图3所示.

图3 MQ-2和AD0832与单片机接口电路图

2.3 光强检测电路设计

采用内置有16位的模数转换器的数字式光强传感器BH1750实现光照强度测量.BH1750光强模块只需与单片机的两个I/O端口相连即可.将BH1750的I2C总线时钟引脚SCL接入单片机的P3.6引脚，I2C总线数据引脚SDA接入单片机的P3.7引脚即可实现BH1750与单片机的通讯[5].电路原理如图4所示.

图4 BH1750光强度模块与单片机接口电路图

2.4 无线收发电路设计

采用nRF24L01完成无线收发电路设计.nRF24L01工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，内置功率放大器、频率合成器、调制器和晶体振荡器等功能模块，并融合增强型ShockBurst技术，通信频道和输出功率可通过程序进行配置.设计时，为防止电压过高烧毁无线模块，无线发射和接收模块与单片机连接时在电路中加入10K上拉电阻.为简化设计，探测终端与监测终端的无线通信电路均采用相同结构，nRF24L01与探测终端接口电路如图5所示[6,7].监测终端采用P1口实现与无线模块相连.

图5 nRF24L01与单片机接口电路图

2.5 GSM短消息电路设计

系统采用德国西门子公司的GSM通信模块TC35i将采集到的信息发送给用户手机，实现远程预警功能.TC35i采用标准的AT指令来控制，可工作于900和1800两个频段，对AT的指令有很好的执行性，支持Text和PDU两种格式的短消息.单片机采用串口RXD和TXD实现与TC35i模块之间信息的传送，但是由于TC35i模块与PC电路电平不兼容，因此两者间进行异步串口通信需要经由MAX232实现电平转换[8].GSM模块与单片机的连接电路如图6所示.

图6 GSM模块与单片机的连接电路

3 软件设计

探测端主要由单片机、温湿度采集模块、光强采集模块、烟雾浓度采集模等数据采集模块构成，单片机收到采集的数据以后，会通过LCD显示，通过按键可设置参数界限，以及判断是否进行超标报警，然后无线传输模块将数据发射出去，探测终端流程如图7所示[9].

监测端由单片机、无线接收模块、LCD显示屏和报警电路组成，当收到探测端的数据后，单片机会将数据送入LCD显示器上进行实时显示，并根据探测端是否发来报警命令来判断是否进行声音报警及短消息预警等功能[10].监控终端程序流程如图8所示.

TC35i的操作主要包括发送和接收短消息.首先对TC35i进行初始化，在IGT端施加一个超过100 ms的低电平，且电平下降的持续时间不超过1ms.采用串口发送测试指令，若登录网络失败则重新进行模块初始化，直至登录成功.如果串口显示OK时说明AT连接已经连通，此时就可以输入AT指令控制模块工作.采用PDU编码格式，发送短信数据为：SMSC地址、TP-MTI/VFP、TP-MR、目标地址、TP-PID、TP-DCS、TP-VP、TP-UDL、TP-UD.当建立指定连接且系统接受到“>”字符时，表示连接成功；当发送完数据段时需在信息末尾加入发送结束标志位.接收消息子程序采用查询方式判断当前是否有新的短消息到达，在接收信息时应注意，接收短信的内容是从接收数据的第51个字节开始的.

图7 探测端的主程序流程图

图8 监测端的主程序流程图

4 系统功能测试

在烧录好程序后，检查电路板是焊接是否正确，是否存在虚焊现象.通电后，对系统进行测试，经过调试，该系统可实现如下的基本功能：

(1) 探测终端可将所采集到的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度这四项数据通过无线模块上传给监测端并通过LCD1602实时显示监测到的数据信息.

(2) 设定好温度范围后，当室内温度大于34 ℃时监测端的蜂鸣器会进行声音报警，并发出连续一声短响，设定当实时温度低于10 ℃时，监测端的蜂鸣器会进行连续一声长响报警，当温度在10 ℃～34 ℃之间时，蜂鸣器不会报警.

(3) 设定好湿度范围后，当室内湿度大于45%RH时监测端的蜂鸣器会发出连续两声短响的报警，设定当室内湿度低于12%RH时，监测端的蜂鸣器会进行连续两声长响报警，当温度在12%～45%之间时，蜂鸣器不会报警.

(4) 设定好烟雾度上下限后，当室内烟雾大于5 000 ppm时监测端的蜂鸣器会发出连续三声短响的报警，设定当室内烟雾浓度低于400 ppm时，监测端的蜂鸣器会进行连续三声长响报警，当烟雾浓度在400 ppm～5 000 ppm之间时，蜂鸣器不会报警.考虑到实际情况，烟雾浓度监测只设置上限即可.

(5) 设定好光强范围后，当室内光照强度大于500Lx时监测端的蜂鸣器会发出连续四声短响的报警，设置当室内光强照度低于50Lx时，监测端的蜂鸣器会进行连续四声长响报警，当光照强度在50Lx～500Lx之间时，蜂鸣器不会报警.

(6) 工作人员可以通过程序设置测量的参数范围，也可以通过探测端的按键随时设置测量的参数范围.

(7) 当发现异常时，工作人员的手机可以接收到来自生产现场的短信通知.

5 结 论

本设计研究了基于STC89C52RC单片机的无线生产环境远程预警系统设计.本设计采用无线通信技术实现对生产环境信息的实时监测，解决了有线环境监测布线复杂、监测信息传输不及时等现象，便于监测人员可随时随地监测现场的环境；并且采用多传感器融合技术避免了厂区环境的漏报现象，为拥有一个安全的生产环境提供了保障，为企业最大限度地降低了险情经济损失.经过测试，该系统功能丰富，反应灵敏，运行性能良好.