城市污水管道气体监测终端的设计与实现

2022-09-17孟庆龙

现代电子技术 2022年18期

孟庆龙，顾然，徐梅

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省计算中心（国家超级计算济南中心），山东济南 250014；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）计算机科学与技术学院，山东济南 250353）

0 引言

城市污水管道中污水的来源很多，其成分也很复杂。它们在污水管道内会发生多种复杂的化学反应，生成多种气体，如：CH、HS、NH、CO、HCN、O和NO等。其中HS是一种有毒气体，它能损害人体的呼吸系统，造成细胞组织严重缺氧，甚至危及生命。高浓度的HS气体能瞬间使人嗅觉减退，无法察觉危险，当浓度超过1 000×10时可瞬间致人死亡。此外，HS气体还会腐蚀管道。CH是一种可燃气体，在污水管道中的浓度太高，遇明火或者电火花极易爆炸，被称为城市的“隐形炸弹”。为了及时发现这些隐患并采取措施避免灾害的发生，需要设计一种城市污水管道气体监测系统。

文献[1⁃2]设计了污水管道可燃气体监测系统，文献[3]设计了多种气体的监测系统。在此基础上，本文提出了气泵采样的新方法，并结合液位的测量对采样进行控制，使得监测终端更加安全。

本文设计在系统架构和通信方式上参考了文献[4⁃7]，系统由监测终端和监测中心两部分组成。监测终端通过各种气体传感器测量气体的浓度，并通过GPRS通信模块发送到监测中心。监测中心将各监测点的各种气体的浓度显示出来，并存储分析和打印。下文主要介绍监测终端的结构、原理和功能。

1 监测终端的硬件设计

本文在终端的设计参考文献[8⁃11]，设计气泵采样机构，并根据该系统的特点设计了太阳能供电系统。

1.1 整体设计

污水管道分布在城市的大街小巷，但大多没有电源，所以使用太阳能供电是最佳选择。本文根据管网结构选择监测点，在监测点开设监测井，立固定杆；再将太阳能板和终端箱固定在固定杆上，将取气管和水位传感器投入监测井内。终端结构如图1所示。

图1 终端结构图

终端除了测量气体浓度，还测量污水水位。污水水位也是人们所关心的，如果污水溢出，将会给生产生活带来很大的影响，同时也影响气体的测量。水位的测量多采用24 V两线制的感压型投入式水位变送器。由于污水中的固体物质容易堵塞变送器的进水孔，所以可以用具有一定容积的橡胶囊对水位变送器加以保护，并定期更换。太阳能板采用常用的18 V太阳能板。终端箱含有12 V电池，并能自动控制其充放电。为减少电源损耗，终端箱以间断方式运行，其周期可人工设定。终端箱有工作和休眠两种状态，工作时给水位变送器供电，测量水位。如果水位低于取气管入口，则给取气泵供电取气，并同时给气体传感器供电预热，再给GPRS通信模块供电，使其与监测中心的服务器建立连接。一段时间后读取气体传感器，并将读到的数值发送给GPRS模块，发送完毕后，关闭各部分电源，进入休眠状态。

1.2 终端箱内部设计

终端箱是终端的关键部分，内部包括控制器、取气泵、采样盒、多种气体传感器、GPRS模块、电池、充电模块等，结构图如图2所示。

图2 终端箱内部结构图

电源转换和充电电路参考文献[12⁃13]。其中控制器是核心部件，可输入12 V电源进行降压和升压，为自身和其他部件提供电源，并能控制这些电源，在休眠时将它们关断。水位变送器输出的是4~20 mA的电流信号，控制器的AI1是能够接收4~20 mA的模拟量输入通道。甲烷传感器和硫化氢传感器输出的是0~5 V的电压信号，AI4和AI5是电压型的模拟量输入通道。控制器与GPRS模块的连接使用RS 485总线。GPRS模块上电后自动连接监测中心的服务器，并进入透传模式。控制器直接发送数据给服务器。服务器的IP地址和端口号设置于GPRS模块中。控制器具有一个RS 232通信接口，用于连接计算机进行各种参数的设置，这些参数包括：终端编号、正常间隔、快发间隔、水位参考点、水位变送器量程、甲烷零点、甲烷量程、硫化氢零点、硫化氢量程、水位上线、甲烷上限、硫化氢上限和日期时间等。

1.3 控制器的设计

上述控制器的功能采用单片机和相关接口电路实现。控制器包括以下几个部分：单片机、模拟量输入电路、RS 232接口电路、RS 485接口电路、电源升压电路、电源降压电路、开关电路。单片机使用TI公司的MSP430F5438，它具有16路12位的模数转换器、4路串行通信接口、支持JTAG，可以在线调试。模拟量输入电路分为电流方式和电压方式两种，每种各3路。RS 232接口电路采用芯片MAX232EESE，RS 485接口电路采用芯片SN65HVD1781⁃Q1。电源升压电路采用芯片SX1308将12 V升到24 V。降压电路使用TPS5430DDA将12 V降为5 V，使用线性稳压器HT7333⁃1从5 V得到3.3 V电源，用于单片机。开关电路由2个场效应管组成，一个N沟道的AO3400和一个P沟道的AO3401。此外，还有一个发光二极管，用于指示控制器的状态。

2 监测终端的软件设计

软件设计参考文献[14]。监测终端的软件包括以下几个部分：初始化、水位的测量、气体浓度的测量、数据上发、设置指令处理和定时休眠。程序流程如图3所示。

图3 监测终端的软件程序流程

该软件用到了MSP430F5438的以下几个功能模块：实时时钟（RTC）、ADC、UART0、UART1。实时时钟模块用于实现日期和时间及程序中的各种定时操作。ADC模块将水位变送器和气体传感器输出的模拟信号转换成数字信号，以便于单片机的后续计算。UART0用于连接计算机，处理各种参数设置指令。UART1连接GPRS模块，用于向服务器发送数据。这些模块在使用前要进行必要的设置，如定时时间间隔、ADC的参考源和UART的波特率等，它们的设置程序也叫初始化程序，具体步骤如下：

//初始化实时时钟

void init_RTC（）

{

RTCPS0CTL|=4<<2；//设置预分频系数，使RTC每1/1 024 s中断一次

RTCPS0CTL|=1<<1； //使能预分频器中断

RTCCTL1 &=~（1<<6）； //启动实时时钟

RTCCTL1|=1<<5；//设置成实时时钟模式，而非32位计数模式

RTCCTL0|=1<<4；//RTCRDY中断使能，用于刷新时间和日期

}

//初始化ADC：

void initADC（）

{

P6SEL|=0x7F； //使能ADC通道0至通道6

ADC12CTL0 &=~ADC12ENC； //设置前关闭ADC

ADC12CTL0=ADC12SHT02 //设置ADC时钟

+ADC12MSC //多通道顺序转换

+ADC12REF2_5V //选择2.5 V参考源

+ADC12REFON //打开参考源

+ADC12ON； //打开ADC

ADC12CTL1=ADC12SHP //使用采样定时器

+ADC12CONSEQ_1； //多通道顺序模式

ADC12MCTL0=C12SREF_1+ADC12INCH_0；//设置通道0参考源和存储地址

ADC12MCTL1=C12SREF_1+ADC12INCH_1；//设置通道1参考源和存储地址

ADC12MCTL2=C12SREF_1+ADC12INCH_2；//设置通道2参考源和存储地址

ADC12MCTL3=ADC12SREF_1+ADC12INCH_3；//设置通道3参考源和存储地址

ADC12MCTL4=ADC12SREF_1+ADC12INCH_4；//设置通道4参考源和存储地址

ADC12MCTL5=ADC12SREF_1+ADC12INCH_5；//设置通道5参考源和存储地址

ADC12MCTL6=ADC12SREF_1+ADC12INCH_6+ADC12EOS； //设置通道6参考源和存储地址

ADC12CTL0|=ADC12ENC； //打开ADC

ADC12IE|=ADC12IE6； //中断使能

}

//初始化串口0

void init_com0（void）

{

P3SEL|=0x30； //使能RXD0、TXD0管脚

UCA0CTL1|=UCSWRST； //复位模式

UCA0CTL1|=UCSSEL_2； //选择时钟SMCLK

UCA0BR0=6； //以下两句设置波特率

UCA0BR1=0；

UCA0MCTL=UCBRF_13 //第一阶段调制模式

+UCBRS_0 //第二阶段调制模式

+UCOS16； //过采样模式

UCA0CTL1 &=~UCSWRST； //运行模式

UCA0IE|=UCRXIE； //使能接收中断

UCA0IE|=UCTXIE； //使能发送中断

}

串口1的初始化和串口0相似。初始化完成后，执行图3所示的流程图中的程序。在程序执行过程中要处理4个中断，即RTC中断、ADC中断、串口0中断和串口1中断。RTC中断分为1/1 024 s中断和1 s中断两种，可以通过RTCIV寄存器的值来区分。1/1 024 s中断时对各种软件定时器计时；1 s中断时更新日期和时间的值。ADC中断时，说明模/数转换完成，这时可以从结果寄存器中读出数据，以便进行后面的计算。串口0每接收到一个字节数据或发送完一个字节数据，就会产生一个中断。寄存器UCA0IV的值可用来区分接收中断和发送中断。如果是接收中断则将接收到的字节存入接收缓冲区，直到接收完一帧数据。如果有3个字节的时间没有数据接收则认为一帧结束，即对该帧进行校验，并对指令进行相应的处理。如果是发送中断，则发送缓冲区的下一个字节至串口0的数据寄存器，直到发送缓冲区的数据发送完毕。串口1中断的处理和串口0相似。