基于GPRS的远程可燃气体检测系统研究与设计

甘 平， 徐子航， 胡国文， 岳红林， 李奋展

(重庆大学通信工程学院，重庆 400044)

0 引言

近年来，我国环境污染加剧，生态破坏严重，已经在某种程度上严重阻碍了社会经济的迅速发展，并逐渐对人们的健康和安全造成威胁，其中由可燃性气体爆炸所带来的经济损失或者火灾安全日益受到人们的关注[1]。可燃性气体存在的环境也是多种多样，其中非常典型的如沼气池，煤矿的巷道，城市下水道中等，这些环境中经常会因可燃性气体大量囤积而发生爆炸的事故发生，这些事故直接影响着人们的生命和财产安全，所以对可燃性气体进行实时检测是十分必要的。GPRS的通信方式具有数据传输速率高、成本相较低等特点，特别是可以充分利用中国移动或中国联通的公网资源，无需对通信网络进行设计，监控管理中心主要负责对采集的数据进行处理，所以本课题的重点就是对现场检测单元进行设计。本文设计一种以STM32处理器为硬件平台，基于EM310 GPRS模块的远程可燃性气体检测系统，重点就是围绕可燃性气体采集和传输开展研究，以GPRS网络为基础实现可燃性气体远程和实时检测。测试结果表明，该系统具有实时检测甲烷等可燃性气体的功能，通过IP数据流方式传送数据信息，实现了对可燃性气体的远程监控。

1 系统总体规划

目前，用于可燃性气体检测系统种类多样，产品繁复，设计风格和应用原理都各不相同，而系统结构还是大同小异[2]。图1为远程可燃性气体检测系统结构图，从图中可以看出，系统通常由现场检测单元、通信网络和监控管理中心组成。现场检测单元主要负责对对象进行检测，并采集、存储相关的数据;监控管理中心负责将现场单元传来的数据进行汇总、处理和进行其他操作;通信网络主要负责前2个模块间的数据和命令的传输[3]。

图1 远程可燃性气体检测系统结构图

(1)硬件设计。为了实现对检测节点的综合管理，气体检测系统应该进行分层控制;采用多种可燃性气体检测传感器来实现对多种气体成分的浓度监测;对单一检测节点需要检测的某一种可燃性气体成分进行阈值设定，发现超标后发出报警信号;现场检测单元能够在如下水道等恶劣环境条件正常工作。现场检测单元具有操作简单，便于维护的功能。

(2)软件。基于网络互连的架构，允许终端的远程登录、访问;监控管理中心可以选择节点通过GPRS传输数据采用的格式，短消息和IP等模式;统一的数据管理接口;功能设计尽可能的模块化，便于验证功能、对系统升级;操作方便简单[4-5]。

针对硬件和软件两方面的需求，本文提出现场检测单元的总体框图如图2所示。现场检测单元由微处理器作为其控制模块，同时包含了传感器模块、泵阀驱动、报警模块、通信模块、电源模块和参数设置模块等。

图2 现场检测单元组成框图

2 硬件设计

2.1 控制模块

本文采用STM32F103RET6芯片作为现场检测单元的控制器[6-7]，STM32是ST公司推出的32位的基于ARM核心的微控制器，STM32F103R6T就是其中增强型的芯片，它采用了更高性能的Cortex-M3内核，可以让MCU实现更高的性能，更低的功耗和更多实时的应用。应用控制器的UART2实现与GPRS模块连接，应用控制器的AD资源对传感器输出信号进行模数转换，应用IO口功能实现泵阀控制和报警功能，应用UART3实现计算机现场参数配置(见图3)。

图3 现场检测单元控制模块电路

2.2 传感器模块

可燃性气体传感器是传感器中的一种，它是用来检测特定气体成分，并将检测的信号转换成电阻、电流、电压、电容等的器件[8]。由于需要检测的气体种类可能很多，性质差异也可能较大，所以单一种类的气体传感器可能检测不到所有的气体成分，而是只能检测其中某一类具有特定性质的气体。本文采用的是催化燃烧式气体传感器，当气体在催化层表面燃烧，使得铂丝线圈温度升高，线圈的电阻值上升，通过测量电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。

2.3 通信模块

GPRS通信模块是现场监测单元的重要组成部分，它把GPRS和Internet连接起来，实现GPRS通信。在本设计中，采用华为公司的EM310模块，它上面集成了有UART、SIM、USB和MIC等外设接口，其中通过UART与微处理器 STM32相连接的[9-10]。图4为EM310 GPRS模块的电路原理图。

2.4 采样气路的设计

为了保证传感器实施检测时的准确性，对气体采集的气路进行了设计。当需要对气体进行检测时，控制电磁阀，使得待测气体通过，经由真空泵抽取到传感器处进行检测;当不需要对气体进行检测时，使得清洁空气进入传感器，可以对传感器进行“清洗”，可避免传感器与待测气体的长期接触，引起传感器内气敏元件“中毒”等现象。在气路选择中使用了电磁阀和真空泵，因而对泵阀的驱动进行了设计[2，11]。图5为采样气路原理图。

图4 EM310电路原理图

图5 采样气路框图

图6 主程序流程图

3 软件设计

在完成现场检测单元的硬件设计后，进行软件设计来实现系统所需的功能。系统的软件设计流程图如图6所示，系统开始工作时首先进行初始化等准备工作，然后自发自收短消息进行现场检测单元校时;其次，接收授权手机发送的短消息命令，进行定时或随机采样，将采样的结果保存并以IP的方式发送到监控管理中。当气体含量超过阈值时，启动报警模块，并向授权手机发送报警短消息[12-13]。

4 测试结果与分析

在系统的硬件电路设计完成后，本文针对该系统的每个硬件都做了逐一的调试工作，正确地实现了对传感器输出信号采样，并进行AD转换;实现了对电磁阀和真空泵的控制，可以选择不同气路;实现了报警模块功能;电源模块可以为检测系统提供3.3、5.0和12.0 V 的工作电压等[14]。

在对系统硬件进行验证后，结合相应的软件设计，实现了GPRS短信的收发和IP方式数据的传输[15]。至此，基于GPRS的有害气体检测系统初步实现了以下的功能:能够响应授权用户发送的短消息命令;在TCP/IP连接状态下，监控管理中心可以直接向现场检测单元发送命令，现场检测单元也可以直接向监控管理中心发送数据;定时采样和随机采样，并把定时采样的结果保存并上传;采样结果超标后向监控管理中心和授权用户发送报警信息，并启动现场检测单元的报警装置。

图7表示GPRS模块在Text模式下接收短消息，其中向GPRS模块发送短消息的SIM卡号为“15823520614”，GPRS模块上的 SIM 卡号为“13800230500”，发送的短信内容是“FFEETESTEF”。

图8为GPRS模块以IP方式进行数据传输，将采集的数据传到Internet的网络后台。

图7 GPRS Text模式接收短消息1

图8 GPRS基于IP方式的数据传输

5 结语

本文设计的可燃性气体检测系统利用催化燃烧式传感器，高性能的32位STM32微处理器，以及GPRS无线模块相结合，完成了对待测气体进行测量控制、数据存储、数据传送、接收短消息命令和向授权手机发送报警消息等各项功能，可以实现系统的稳定运行。针对某种特定的可燃性气体，在对传感器进行校准后，即可进行准确的测量，满足现场使用的要求。

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