基于无线HART协议的可燃气体报警仪设计

胡彬特，王亚刚

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于无线HART协议的可燃气体报警仪设计

胡彬特，王亚刚

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

为解决工业现场可靠监控可燃性气体的问题，提出一种基于WirelessHART协议设计的可燃气体报警仪,对可燃性气体实现监测并实时响应。该报警仪采用MSP430芯片作为主控芯片，通过多种功耗模式实现报警仪的低功耗运行，利用被动检测法使传感器快速检测出可燃气体，并采用WirelessHART协议将数据发送至无线HART网关，实现控制终端与现场设备的双向无线通信。通过实验测试，表明该设计可快速检测出可燃性气体并实现数据的可靠无线传输。

WirelessHART；可燃性气体检测；MSP430F5438A；电量监测

工业生产制造中会大量涉及到可燃性易挥发气体的制造、储存与运输，每年有关可燃性气体的事故也不在少数。这就使得从行业标准上必须要求对可以预测的危险进行防范[1]。我国已经建立起了一套较为完整的对可燃性气体检测和报警的标准体系，国内外检测类的仪表也在快速发展。本文通过设计一种基于WirelessHART协议的可燃性气体报警仪来实现工业现场快速检测可燃性气体并输出报警信号，通过高可靠性的无线传输方式实现报警仪的安装位置可变、快速简易自组网与低成本可靠运行。

1 WirelessHART技术

WirelessHART协议由HART基金会于2007年发布[2]，它是第一个应用在过程工业的可开放互操作的无线通讯标准，实现了工业级别的可靠、实时、安全的无线通讯方式。除了兼容现有HART设备、命令和工具，它还使HART协议增添了无线功能。每个WirelessHART网络主要包括现场设备、网关/网络管理器、安全管理器和上位机等部分。WirelessHART标准工作于开放的2 400 ～ 2 483.5 MHz的ISM频段，数据传输速率可达250 kbit·s-1。该频段有16个信道，数据传输过程结合了IEEE 802.15.4的直接序列扩频(DSSS)射频技术和基于数据报的跳信道技术[3]。基于WirelessHART技术的仪表拥有先天的优势，它在传统的4～20 mA模拟信号上叠加了数字HART信号，将仪表内的诊断、校准与设备组态等信息充分利用，使基于WirelessHART协议的智能仪表与主控制设备之间的通讯得以连接。

2 硬件结构与工作原理

本文设计的气体报警仪主要由电源模块、电量监测模块、单片机模块、温湿度采样模块、气体检测模块、WirelessHART模块、液晶显示模块和声光报警模块组成[4]。其工作原理为：电压转换电路为系统提供各种工作电压，信号调理电路对气体传感器采集到的气体-电信号进行放大、补偿和校准，然后经A/D转换后通过主控芯片在液晶上显示所需的信息，并通过无线HART模块发送数据至中间节点，最后再传输至网关给上位机使用。报警仪选用MSP430F5438A[5]作为主控芯片，它是一款16位超低功耗单片机，能够满足无线HART协议的要求。该款单片机提供4种工作模式，可以灵活调整对应的工作要求，大幅提高电池的使用寿命，其休眠模式只消耗几μA的电流，即使正常工作模式也仅消耗230 μA电流[6]。报警仪的系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.1 气体检测模块

目前，可燃性气体的检测可分为主动检测法和被动检测法。主动检测法，就是将待检气体充入密闭空间，用理化方法对气体成分进行分析。被动检测法不需要人的参与，检测元件与被测气体直接进行理化反应，将气体浓度转换成对应电信号输出。报警仪原型使用被动检测法[7]，选用SolidsenSe公司的4LEL型可燃气体传感器和4SPEO2型氧气传感器来设计完成。

可燃气体传感器的信号调理用电桥感知信号来转换输出[8]。传感器工作时，检测端分别用两个阻值相等的电阻搭成惠斯通电桥，当环境中有可燃气体时，原本平衡的电桥就会失衡，可燃气体接触到电阻R8上的催化剂并在其催化作用下发生无焰燃烧[9]，产生的热量使测量元件温度升高，电阻增大，补偿元件R9表面却没有进行催化反应[10]，如图2所示，GAS+、GAS-两点形成的电压差与气体浓度成正比，得出的信号给放大电路放大，然后软件校准后得出的电压与电压比较器的预设值比较，最后判断是否报警。

对于氧气传感器的信号调理，由于传感器对电极和参考电极的阻抗在恒电位电路U1:1内，因此无论传感器的电流给定多少，电位总是钳位于定值。U1:2则是电流-电压转换电路，电流从传感器工作电极输出经过负载R5转换成电压，并由IC2放大，生成电压输出信号[11]。

图2 传感器接口电路

2.2 电量监测模块

为使报警仪的安装范围更广， WirelessHART设备使用9 V电池供电，通过LP38692系列的CMOS低压降线性稳压器产生5 V、3.3 V、2.3 V电压供系统使用。电池为了维持电压预防最后会突然枯竭能量，报警仪选用BQ28400芯片[12]来进行电量检测。该芯片能够对硬件电路实现监测和控制，做出快速调整来完成电路的平衡优化。电池由PACK+、PACK-接入电路，正极经由两只对称串联的P沟道增强型MOSFET Si7409AND向外提供能量，负极中串联0.01 Ω的精密电阻，用于电流过采样。对于高侧保护场效应管Q1和Q2，应根据实际情况，选择合适的电阻值，以匹配其开启电压。Si7409AND的开启电压为0.6 V，根据BQ28400的参考手册，R6/R7应选择5.1 kΩ的电阻，但在实际调试中发现，其开启电压只有0.55 V，小于Si7409AND的开启电压，Q1和Q2皆未导通，芯片BAT引脚和PACK引脚未能正常供电，芯片无法正常工作。当将电阻R6/R7换成10 kΩ后，开启电压达到0.65 V，Q1和Q2正常导通，电路工作正常。电路图设计如图3所示。

图3 电量检测电路

2.3 WirelessHART传输模块

报警仪选用RFM公司推出的基于DUST Network的SmartMesh IA-510(H)TM技术的无线收发模块，该模块兼容WirelessHART网络，其最显著的优点就是功耗低且通信可靠性高。为实现高可靠性通信以及低延时和有效的能量管理，该模块采用了自动优化网络和智能路由技术。在电池供电系统、低功耗电路以及回路取电电路中，使用XDM2510H模块可以提高网络的鲁棒性。最关键的是该模块不需要嵌入式编程，节省了大量的开发周期。

图4 无线HART收发电路

3 无线可燃气体报警仪的软件设计

软件部分包括系统初始化设置、节点入网、参数设置、气体和温湿度数据采集、信号调理、电量监测。初始化设置是为了配置系统时钟和功耗等级，以及设置单片机选型；节点入网程序来完成网络参数的设置以及节点的入网、数据的收发和处理；参数设置部分通过按键电路实现；气体和温湿度数据的采集部分就是对气体和温湿度数据进行模数转换；信号调理是针对气体传感器设计的，预先对内部的数据进行设置，让写入的参数对气体信号进行补偿[13]，提高电路精度；电量监测部分是通过发送命令读取电池的相关参数，并与报警值比较，以此来判断和显示电池目前的使用状况。软件流程如图5所示。

图5 软件设计流程图

菜单设置选项中，需要设定量程、报警值、LCD开启频率、测量数据的更新速率、发送速率、设备ID、入网秘钥及是否更新检索或诊断设备产生的数据。报警仪在设置完菜单后，需要校验报警仪，修正传感器的零点。报警仪在启动后，显示屏依次显示气体类型、量程、报警值，随后便开始检测。当气体浓度超过设定值时，报警器发出警报声，LED灯闪烁。当气体浓度低于设定值时，报警器关闭警报声，LED灯亦熄灭。

报警仪的XDM2510H无线模块[14]的成功运行是本设计的关键，其主要有初始化、空闲、搜索、会话、连接、运行、断开这7个状态，其状态转换图如图6所示。要想使节点加入网络，需要进行如下操作：

(1)初始化单片机的UART模块，使XDM2510H与单片机进行串口收发数据，通过串口发送一个启动包给MCU，MCU收到后返回一个确认包，此时XDM2510H停止发送启动包；

图6 XDM2510H状态转换图

(2)配置模块的网络参数：，节点加入网络的ID；，加入具体网络的密钥；，节点模块的物理地址；，节点将自身同步到其他网络设备所用的侦听时间占整个sleep时间的比例，该参数设置范围为0～255，对应着0%～100%，该值越大对应的搜索网络设备的时间越短，耗能也越多，考虑功耗，本处设置为0x80，相当于50%；，设置HART设备的状态，有启动、报警等状态；，MCU计算更新电池寿命后发送给XDM2510H；

(3)发送Join命令来加入网络，在XDM2510H收到这条命令后，如果加入成功，则返回确认报。网关在收到节点的加入请求后，会自动执行操作，使节点进入运行状态。发送GetMoteStatus命令，用于监测节点当前状态处于运行时，再发送请求命令，若成功，则加入结束，此时就可用Send命令向网关发送数据。

4 测试结果

为测试报警仪的数据收发性能，需要对报警仪进行通信测试。报警仪基于编程环境IAR、网关监测whconsole.exe、节点监测whconfig.exe以及串口调试助手。通信网络由上位机(网关监测whconsole.exe、节点监测whconfig.exe)、DUST网关以及由报警仪等设备构成的无线节点组成，当WirelessHART可燃气体报警仪成功加入无线HART网络后，上位机通过Admin Toolset可以查看网络的状态并设置网络。

当报警仪加入网络后，便可实现其向网关传输数据，也可获得从网关而来的命令并执行。测试时，节点标识用 MIC地址区别，在上位机whconfig.exe上发送测试字符串“This is a test”给网关，网关返回十六进制数据“54 68 69 73 20 69 73 20 74 65 73 74”。不选Hex Mode模式时，返回ASCII数据，显示“This is a test”。通信结果如图7和图8所示，表明通讯良好可靠。

图7 节点上位机WHConfig.exe发送数据

图8 网关上位机WHConsole.exe接收数据

5 结束语

本文针对可燃性气体的报警仪提出了一种基于无线HART协议的原型设计，可实现无线网络中的通信，而基于WirelessHART协议的无线工业仪表是现阶段由高可靠性、高实时性、低成本特性决定的最优选择。由于实际工况的复杂性，设计完成的报警仪仍需针对特定可燃气体、特定环境，进行性能测试，如精度测试、可靠性测试、电磁兼容测试等，因此仍有大量后续工作。报警仪的无线通信距离以及在不同传感器的选型上可以继续优化[15]，网络管理器端的上位机还未独立开发出产品级的网关与可视化效果更好的软件，这些都是后续可以展开的工作。

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Design of the Combustible Gas Detector Based on WirelessHART

HU Binte1, WANG Yagang2

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In order to solve the problem that how to monitor the combustible gas reliably in the industrial field, a solution is presented to realize reliably monitoring and response in real-time by using the combustible gas detector based on WirelessHART. The detectors use MSP430 chip as the main control chip. A variety of the power mode can make the detector realizing the low power operation. The sensor can detect the combustible gas rapidly using the passive detection, then the detector using the WirelessHART protocol spends these data to WirelessHART gateway. The detector can realize bi-directional wireless digital communication between WirelessHART instruments and control terminal. The experiment indicates that the combustible gas can be quickly detected and the wireless transmission of the data can be realized reliably.

WirelessHART; combustible gas detection; MSP430F5438A; power monitoring

2016- 05- 21

胡彬特(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：工业物联网。王亚刚(1967-)，男，博士，教授，硕士生导师。研究方向：工业过程控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.009

TP212

A

1007-7820(2017)04-036-04