基于GPRS无线传输的车载LNG气瓶监测系统研究

佘世刚 朱明亮 袁峥峥 赵宇 胡月娥

摘  要： 为了确保LNG动力汽车的安全稳定运行，提出一种基于GPRS无线传输的车载LNG气瓶监测系统。该系统以STC51单片机为主控芯片，主要设计甲烷浓度采集电路、温度采集电路、LCD显示电路、蜂鸣器报警电路、GPRS无线通信电路等，可把测量的数据通过GPRS网络发送到服务器中，最后将传输的数据在LabVIEW平台上处理后显示，实现气瓶安全的在线监测。实验结果表明，该系统可准确地检测甲烷浓度值及罐体与环境温差，在不良状况时能及时有效地报警，达到实时预警的目的。

关键词： LNG气瓶检测; 系统设计; 无线传输; 在线检测; 数据分析; 实时预警

中图分类号： TN926?34                             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）08?0101?04

Study on vehicle LNG cylinder monitoring system based on GPRS wireless transmission

SHE Shigang， ZHU Mingliang， YUAN Zhengzheng， ZHAO Yu， HU Yuee

（School of Mechanical Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract： A vehicle LNG cylinder monitoring system based on GPRS wireless transmission is proposed to ensure the safe and stable operation of LNG hybrid electrical vehicle. In this system， the STC51 single?chip microcomputer is used as the main control chip， and the methane concentration acquisition circuit， temperature acquisition circuit， LCD display circuit， buzzer alarm circuit， GPRS wireless communication circuit and so on are designed mainly， which can send the measured data to the server through GPRS network. The transmitted data is displayed after processing on the LabVIEW platform to realize the on?line monitoring of cylinder safety. The experimental results show that the system can accurately detect the methane concentration value and the temperature difference between the tank and the environment， and can give an alarm timely and effectively in the bad conditions， so as to achieve the purpose of real?time warning.

Keywords： LNG cylinder monitoring; system design; wireless transmission; on?line monitoring; data analysis; real?time warning

0  引  言

随着能源危机的不断加重，天然气作为一种清洁能源被广泛用于各种动力系统，尤其是液化天然气（LNG）动力汽车。但在实际的使用中，由于气瓶的使用年限变长、车况路况不佳产生震动等都可能导致LNG气瓶的损坏，此时气瓶内胆的液化天然气受热急剧气化，轻则导致安全阀频繁跳起，浪费能源;重则导致严重的安全事故。因此保障其在使用过程中的安全显得十分重要[1]。目前，LNG气瓶的检测大都是在检测机构完成的，所以这种方式不能对未送检的气瓶进行安全监测，但随着LNG动力汽车的保有量变大，使用年限变长，日常行驶中的LNG动力汽车将会是一个重要的安全隐患。针对此，本文设计了一种基于GPRS的车载LNG气瓶监测系统，以期实现对气瓶实时预警的目的。

1  监测系统概述

本文系统主要由传感器采集数据装置、数据接收处理装置、数据发送装置、显示报警装置和上位机监测装置5个部分组成。传感器组把采集到的数据经电路处理后送进单片机，单片机将这些数据实时显示在车载LCD上并通过无线网络实时传输到上位机上，当测量数据超出设定值时，系统能及时报警提醒司机和监管人员注意。

为了提高系统的监测精度，需要对传感器的放置位置进行研究。通过分析近年来LNG汽车燃气泄漏案例，燃气泄漏主要集中在两个方面：一是储气瓶出口连接处、减压阀连接处，阀门腐蚀等;二是气瓶夹层的真空度破坏，气瓶的绝热性能下降或失效，罐体出现“冒汗”或结霜现象[2]，此时罐体温度与环温相差较大。同时考虑到甲烷密度小于空气密度，天然气泄漏后会漂浮在相对密封空间内上方。所以应将气体传感器布置在气瓶箱内有接口一端附近的上方，温度传感器固定在气瓶表面。

2  系统硬件的设计

传感器采集电路、数据处理电路、显示报警电路、无线传输电路及供电电路构成了监测系统的硬件部分。其硬件总框图如图1所示。

2.1  气体传感器数据采集电路

本系统选择半导体气体传感器来准确测量气瓶附近天然气浓度，经过选型分析，最终选择MQ?4气体传感器。该传感器采用在洁净空气环境电导率偏低的二氧化锡（SnO2）为气敏材料，能监测多种可燃性气体，尤其对天然气的监测尤为敏感，是一款低成本的多用途传感器[3]。MQ?4气体传感器电路比较简单，分为加热部分和检测部分。其中VH 处接直流电源，一为传感器提供特定的工作温度，二为测试电路提供电压。由于本设计需要根据AOUT的电压显示气体浓度值，但51单片机本身不自带A/D模块，所以需再设计ADC转换电路。综合考虑选择ADC0832作为A/D转换芯片，其是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，采用的是5 V供电，输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。气体传感器与ADC0832的连接如图2所示。

2.2  温度传感器采集电路

为了确保系统的稳定性，及时检测气瓶绝热性能，本文还对气瓶外壳和环境温度进行了测量。综合各方面因素考虑，本文选择了DS18B20温度传感器，其具有耐磨耐碰、体积小、封装形式多样、支持多点组网等特点。此外，其测温范围广，在-55～125 ℃之间，同时具有可编程分辨率功能，最高可分辨温度为0.062 5 ℃，可实现高精度测温;独特的单线接口方式，实现了用一根线即可与单片机双向通信。

2.3  LCD显示、报警电路

为了让驾驶员实时了解气瓶安全情况，在出现问题时及时收到报警信息，本文还设计了数据显示、报警的电路。综合考虑，本文选择LCD1602液晶作为显示模块，选择无源蜂鸣器作为报警模块。LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块，使用起来也比较方便，其中RS引腳为数据/命令选择端，R/W为读/写选择端，D0～D7为数据I/O[4]，可通过程序设定数据总线为4位或8位。另外，本文还选择了无源蜂鸣器作为报警模块，外围电路比较简单，只需用2～5 kHz的方波驱动。相比于有源蜂鸣器，其具有价格便宜、声音频率可控等优点。

2.4  GPRS无线通信电路

GPRS又称通用无线数据分组业务，是在GSM基础上改进的无线传输系统，有传输速度快、通信协议多、使用成本低等特点[5]。本系统选择SIMCom公司的SIM900A作为通信芯片，将监测到的数据实时传送给服务器。SIM900A是一款外形小巧、性能稳定、性价比高的GPRS模块，是一个2频的GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议，单片机通过串口发送AT 指令即可控制，实现语音、短信、数据的传输[6]。本设计使用的是SIM900A的数据传输功能，在使用时需将模块的TXD，RXD分别与单片机的RXD，TXD相连。

2.5  单片机最小系统及系统硬件图

本系统采用宏晶公司生产的STC89C516作为主控芯片，用来控制外设及数据处理。其是一个8位的处理器，拥有4 KB ROM、128 B RAM、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器、5个中断源，支持串口通信[7]。晶振电路和复位电路是单片机最小系统的重要部分。晶振电路主要为系统提供时钟，复位电路主要用来保障系统程序稳定运行。单片机最小系统及外围连接电路如图3所示。

3  监测系统程序设计

基于GPRS无线传输的车载LNG气瓶监测系统程序设计是本文系统的重要组成部分，主要对微控制器、传感器、SIM900A等硬件进行初始化、数据处理以及上位机软件设计。

3.1  下位机程序设计

为了方便调试及移植方便，下位机的程序是通过Keil μVision4软件编写的[8]。主要分为硬件初始化和数据处理两个部分，流程图如图4所示。

3.1.1  硬件初始化程序

首先对微处理器C51进行初始化，包括定时器的工作方式及初值，开放相应的中断源的中断并设置优先级，配置串口相应工作方式及波特率等;外设初始化包括气体和温度传感器、报警显示模块、无线通信模块的初始化。

3.1.2  数据处理程序

此部分主要对传感器节点采集到的数据进行处理。DS18B20上电状态下默认的精度是12位，在总线控制器发出[44h]命令后，转化后得到的数据12被存储在两个8位的RAM中，高5位为符号位，分辨率为0.062 5，正温度把十六进制数转成十进制即可;负温度把十六进制数取反后加1再转成十进制数。

此外系统中需显示天然气的浓度值，那么就需要知道电压升高与被测气体浓度增加的关系。实测在无天然气的环境下，AUOT端电压为0.5 V，当检测到天然气时，电压每升高0.1 V，实际被测气体浓度增加200 ppm 。同时由于气体传感器灵敏度受温度的影响较大，所以为了提高系统的监测精度，增加软件修正进行温度补偿[9]。

3.2  上位机程序设计

上位机采用LabVIEW图形化编程语言实现对监测的编程，LabVIEW是由美国NI公司创立的一个功能强大而灵活的仪器和软件应用开发工具。其显著特点是可以利用前面板设计非常直观的人机交互，程序框图设计采用的是图形化源代码，是基于VI的模块化设计。

3.2.1  对数据库访问设计

LabVIEW有多种方式来访问操作数据库，本设计选择通过LabSQL的方式，LabVIEW只需调用子VI即可对数据库操作。另外数据库的种类有多种，LabSQL也不仅仅支持一种，为了使用方便，本文选择了Mierosoft Access数据库[10]。