地下管网GSM网络气体检测节点设计.pdfVIP

I 甸 化 地下管网GSM网络气体检测节点设计 GSM network gas sense node for underground pipeline 张 国缶 ZHANG Guo．yue (北京机械工业自动化研究所，北京 100120) 摘 要：地下管网属于有限空间，该环境极易产生并聚集危险气体，从而对人员、财物造成伤害和损 失。为防止危险发生，有必要对其中危险气体进行实时检测。因此提出一种基于STM32处 理器，以“C／OS-Il嵌入式实时内核进行调度，利用气体传感器采集环境气体浓度，并通过 GSM网络传输信号的地下管网气体检测系统设计方案。 关键词：STM32； O／OS-II；气体传感器；AT指令；GSM网络 中图分类号；TP29 文献标识码：A 文章编号：1 009—01 34(201 4)11(下)一0032～04 Doi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 4．11(下)．09 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。STM3．2F103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CH 、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 R0M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⋯。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Vl 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 段一日囊：2014-06-26 作者冀介：张国岳 (1983一)，男，计算机应用工程师，学士，研究方向为工业自动化智能控制。 [321 第36卷 第11期 2014-11(下) 学兔兔 学兔兔 骞、l 勺 似 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