地下管网GSM网络气体检测节点设计

张国岳

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

地下管网，是城市运作的重要硬件基础。由于其隐藏于地下，空间相对封闭，会产生以爆炸性为主要危害的甲烷、以毒性为主要危害的一氧化碳和硫化氢、及因含量降低而导致人员伤害的低氧气含量环境，极易造成人员伤害及财产损失。及时发现并消除物的不安全状态可有效避免事故发生，因此需要一种系统，可实时对上述四种气体进行实时检测，并有着能够覆盖城市范围的传输网络，以使相关人员及时发现辖区内管网的危险气体隐患并作出反应。

甲烷、一氧化碳、硫化氢及氧气传感器在工业上有着成熟而广泛的应用。STM32F103系列Cortex-M3内核处理器作为一种可靠的嵌入式平台，对实时内核支持良好，片上资源丰富，能够很好地整合外围设备。GSM网络分布广泛，可靠性高，使用GPRS进行TCP数据传输能够满足系统对传输范围和可靠性的要求。

系统通过STM32处理器采集气体传感器的检测信号，使用GPRS模块将气体浓度信号以TCP协议通过GSM网络上传，监控计算机运行上位机监控软件对气体浓度数据进行汇总，判断报警，令监控人员及时发现危险，以便采取措施。

1 系统硬件设计

该系统节点设备由传感器单元、处理器单元、GPRS单元、执行单元及电源管理单元组成。传感器单元包括对应CH4、CO、H2S、O2四种气体的传感器及其信号放大电路，信号通过处理器的A/D转换被采集；处理器单元包括系统核心STM32F103CET6处理器，存储设备地址及设置参数的EEPROM，存储历史运行数据和报警记录的FLASH ROM以及与设置用设备进行通信的设置接口；GPRS单元包括GPRS模块、SIM卡电路及天线，通过串行接口与处理器通信，实现数据的无线远程通信；执行单元包括直流继电器及其驱动电路，用于在报警或故障时输出节点控制信号；电源管理单元负责对接入的交流市电进行转换，为系统各单元及元件提供所需的电源。

1.1 传感器单元

对于可燃气，选用目前应用最为广泛，技术比较成熟的催化燃烧式传感器。传感器由一对串联的铂金丝绕制电阻组成，两端电阻阻值平衡，其中一端电阻涂覆催化剂，作为检测段，另一端作为参考端。其测量原理为：电流加热铂金丝，在检测环境没有可燃气的情况下，电桥输出平衡；当传感器接触到可燃气时，涂覆催化剂的感应端产生氧化反应，反应的同时释放出热量，使其温度升高、电阻增大，而参考端的电阻值不变，导致两端阻值不平衡，分压改变。输出的信号与可燃气含量成正比，通过检测电压变化，得到可燃气浓度[1]。可燃气传感器的电路如图2所示。其中传感器SENSOR与电阻R1、R2电位器V1组成电桥，电位器V1用于调整电桥的静态平衡。传感器信号进入运算放大器的反向输入端，放大器正向输入端引入共模输入，实现对信号的差分放大。电阻R7、R8、R9与电位器V2及热敏电阻RT1构成反馈电路，VT2用于电路增益的调整，RT1为负温度系数的热敏电阻，用以补偿器件的温度漂移。放大后的信号输出到处理器的A/D转换器。

图1 节点设备结构框图

图2 可燃气传感器放大电路

对于毒性气体CO、H2S的检测，使用定电位电解传感器。利用电化学原理将被测气体的含量转化为电信号，其主要由电解槽、电解液和电极组成，传感器的三个电极分别被称为感应电极、参比电极和对电极。传感器的工作原理为：被测气体由进气孔通过渗透膜扩散到敏感电极表面，在感应电极、电解液、对电极之间进行氧化反应，参比电极在传感器中不暴露在被分析气体之中，用来为电解液中的工作电极提供恒定的电化学电位。被测气体通过传感器渗透膜，进入电解槽，传感器电解液中扩散吸收的被测气体发生氧化反应。与此同时产生对应的极限扩散电流，在一定范围内其大小与被测气体浓度成正比[2]。通过检测电流，却定被测气体的浓度。毒性气体传感器测量电路如图3所示。传感器内部经电化学反应从感应电击输出电流信号，通过运算放大器U2将电流信号转换成电压信号，电压信号通过U1放大进入处理器A/D转换器。其中RT1为负温度系数热敏电阻，用于传感器信号的温度补偿。U1采用OP90精密低电压微功耗运算放大器[3]。

氧气传感器为原电池式，其结构包括透过膜、电解液、铅阳极电极、贵金属阴极电极。当氧气通过渗透膜进入电解液时在阳极产生氧化反应在阴极产生还原反应，当外电路有负载时电解产生的电流与氧浓度成正比。根据测得的电流值可求得氧气浓度。氧传感器测量电路如图4所示。其中电阻R1用于电源的等效变换，输出电压信号。电位器V1构成反馈电路，用于调整放大器放大系数。信号经运算放大器OP07放大后进入处理器A/D转换器。

图4 氧气传感器放大电路

1.2 处理器单元

处理器的功能包括：对传感器信号进行采样及A/D转换，并对信号进行滤波及校准处理；对GPRS模块进行配置并通过其与上位机进行通信；利用存储器存储、读取历史运行数据及报警记录；记录并执行设置信息；产生报警信息及控制继电器动作。处理器使用ST公司的STM32F103CET6 ARM 32位Cortex-M3内核处理器。2.0V～3.6V供电，最高频率72MHz，512K字节Flash，64K字节SRAM具有3路12位1μs间隔A/D转换器，三路USART，I2C及SPI总线接口控制器，能够满足系统需要。EEPROM存储器用于存储节点设备的设备地址及对传感器信号进行修正的的运行参数。选用AT24C04 I2C总线存储器。FLASH ROM用于存储系统的历史运行数据和报警记录存储器选用ATMEL公司的AT45DB161D SPI总线存储器。预留设置接口为带有光隔离的RS-485总线接口，用于参数设置设备对系统进行设置的通信连接。

1.3 GPRS单元

GPRS单元主要包括GPRS模块、SIM卡电路及天线，GPRS模块使用有方M590E.3.3～4.8V供电，双频频段EGSM900/DCS180，灵敏度-106dBm，最大电流2A，工作电流210mA，协议兼容GSM/GPRS Phase 2/2+，AT指令集支持GSM07.07及扩展指令集。GSC射频连接器，配合天线。能够满足系统需要。在电源设计上，考虑到模块瞬时电流可达2A，在电源处使用1000uF铝电解电容进行滤波，同时并联0.1uF陶瓷电容滤除数字信号噪声，并联100pF陶瓷电容滤除射频噪声。串行接口通过200Ω电阻与处理器的USART2接口连接，并在模块接收引脚与地之间加100pF电容，提高模块抗干扰能力。

2 系统软件设计

软件系统在μVision4平台下开发，采用将系统各功能分解为任务模块的结构性设计方法，使用Micriμm公司的μC/OS-Ⅲ实时内核进行任务调度管理和时间管理，程序以C语言编写。

首先需进行μC/OS-Ⅲ内核在STM32处理器上的移植、编写内核时钟的中断服务程序。μC/OS-Ⅲ源代码中，与CPU相关的文件包括os_cpu.h、os_cpu_a.asm、os_cpu_c.c、cpu_core.c、cpu_core.h、cpu_def.h、cpu_cfg.h、cpu.h、cpu_a.asm、cpu_c.c[4]。在 os_cpu.h文件中对系统时钟的中断优先级进行配置：

对os_cpu_a.asm中有关处理器中断向量控制器的设置进行修改：

设置内核时钟。Cortex内核包括一个24位的向下计数器，具备自动重加载和完成后中断的功能，其设计是作为RTOS的系统时钟节拍中断[5]。因此将此资源作为内核时钟，其中断服务程序如下：

G P R S 模块的初始化过程如图5 所示。系统上电后处理器等待GPRS模块返回就绪信息“+PBREADY”。就绪后检查信号强度及GSM网络注册状态；选择TCP协议栈，为了缩短开发周期，选择模块内置协议栈；设置APN参数选择运营商及进行用户身边认证；进行PPP连接并确认获取分配的IP；设置检测系统所使用网络IP地址及端口号或解析DNS获得动态域名，并等待TCP连接建立；确认TCP连接建立后系统即可进行远程数据通信，发送数据前用AT+IPSTATUS指令检查数据链路缓冲区大小，避免数据溢出。运行过程中对模块的信号强度，链路状态进行周期检查，以恢复网络连接，保证通信稳定。

处理器周期性采集传感器检测信号，并对样信号使用递推平均值算法进行滤波处理，该算法可以降低扰动的变化率，避免因干扰造成误报警。检测数据变化曲线平滑，提高用户体验。对滤波后的数据根据其数值所在范围进行校正处理，以保证示值的线性度。将完成处理的数据比对相应的报警阈值，若在一定连续周期的检测结果超过阈值，则产生报警，处理器记录并上传报警信息、控制执行单元动作，其中氧气为下限报警，即当测得氧气数据低于报警阈值时触发报警，并认为正常情况下空气中标准氧含量（体积比）为21%[6]。

3 结束语

经实验，本系统能够实现对甲烷、一氧化碳、硫化氢及氧气的可靠检测，经标准气体计量验证，检测结果误差均不大于±5%，在流量300mL/m（毫升每分钟）条件下，甲烷检测示值达到标准气体浓度值的90%所用时间不大于30秒；一氧化碳、硫化氢测示值达到标准气体浓度值的90%所用时间不大于90秒；氧气检测达到标准气体浓度值的±10%所用时间不大于90秒。甲烷检测满量程100%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限），分辨率1%LEL；一氧化碳检测满量程200ppm（part per million百万分之一），分辨率1ppm；硫化氢检测满量程100ppm，分辨率1ppm；氧气检测满量程25%Vol（volume摩尔体积比），分辨率0.1%Vol。GPRS数据通信稳定，传输延时小，能够及时反映气体浓度变化及出发并上传报警信息。本系统可以作为一种远程监测地下管网气体环境的一种解决办法，能够令相关人员及时发现危险以便进行处置，同时减轻其巡线工作量，降低成本。但由于地下管网环境恶劣，部分地区管网中水位随季节变化大，因此对系统的可靠性还有待进一步验证。

图5 GPRS模块初始化及TCP连接流程

[1]毕明树,杨国刚.气体和粉尘爆炸防止工程学[M].北京：化学工业出版社,2012.

[2]李国刚,环境空气和废气污染物分析测试方法[M].北京：化学工业出版社,2013.

[3]王晓明,无线二氧化硫传感器的网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,9：32-35.

[4]Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC-OSIII.宫辉等[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012.

[5]Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC-OSIII应用开发.何小庆 张爱华[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012.

[6]GB 3836.爆炸性气体环境用电器设备[S].北京：中国标准出版社,2000.