基于溫濕度補償?shù)牡凸娜細饩O(jiān)測系統(tǒng)設計

陸鑫濤，陶洪峰，楊慧中，陳 剛

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122)

0 引言

由管道事故引起的燃氣泄漏會帶來中毒、火災甚至是爆炸等嚴重后果[1]。傳統(tǒng)的依靠人力來進行巡檢的方式存在著嚴重的滯后性。因此，燃氣井中可燃氣體泄漏量的實時監(jiān)測對確保井中燃氣管道的安全有著重要的實際意義。

B.Yang[2]等通過嵌入式，信號處理等技術設計出了可燃氣體濃度檢測系統(tǒng)。夏睿[3]等為了防止由燃氣泄漏帶來的公寓建筑破壞以及人員傷亡，設計了基于WirelessHART的可燃氣體濃度監(jiān)測裝置。馬為紅[4]等利用ZigBee技術實現(xiàn)了面向大規(guī)模、多區(qū)域的可燃氣體遠程監(jiān)測預警。由于這些設計只能在特定環(huán)境中使用，無法滿足在類似于燃氣井這種內部空間狹小、無電源、環(huán)境復雜多變的場景監(jiān)測要求。近幾年出現(xiàn)的NB-IoT技術[5-6]剛好可以解決這一問題。NB-IoT具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢，適合于低頻、小數(shù)據(jù)包，并且對覆蓋范圍要求比較高的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。此外，由于井中的運行環(huán)境比較復雜，溫濕度變化對可燃氣體傳感器會產(chǎn)生較大的影響，所以利用可檢測的環(huán)境因子對可燃氣體傳感器的檢測結果進行補償校正，使傳感器具有更高的測量精度。

1 系統(tǒng)總體組成

該系統(tǒng)由3層組成，分別為:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)中轉層以及應用層。具備采集端數(shù)據(jù)實時采集、無線傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲管理、遠程監(jiān)測和實時命令下發(fā)等功能，實現(xiàn)了對燃氣井中可燃氣體濃度以及井蓋狀態(tài)的分布式監(jiān)控和集中管理。系統(tǒng)總體結構設計方案如圖1所示。

第一層為數(shù)據(jù)采集層。在不同的燃氣井中分別部署。主要包括了傳感器模塊(包括可燃氣體傳感器以及溫濕度傳感器)、微控制單元(microcontroller unit，MCU)和NB模塊等。數(shù)據(jù)采集層主要負責采集燃氣井中的實時數(shù)據(jù)。采集完成后，通過NB模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉層。

第二層為數(shù)據(jù)中轉層。數(shù)據(jù)中轉層包括核心網(wǎng)、通信基站以及云平臺等。NB模塊通過核心網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到附近的接收基站，基站再通過CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至云平臺[7-8]。云平臺將所有接收到的數(shù)據(jù)集中到一起，并且封裝出一系列功能豐富的API接口，以便應用層可以通過這些API接口來實現(xiàn)命令下發(fā)、設備管理，獲取設備歷史數(shù)據(jù)等功能。

第三層為應用層。應用層由數(shù)據(jù)庫、人機交互端組成，人機交互端又分為前端和后端。開發(fā)者可以在后端通過HTTPS協(xié)議調用云平臺提供的API接口，也可以通過前端來向終端設備發(fā)送命令，或者是實現(xiàn)設備的綁定與刪除等。

3個不同的層次相互配合，由數(shù)據(jù)采集層到應用層的數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)對燃氣井內狀況的實時遠程監(jiān)測，從應用層到數(shù)據(jù)采集層的指令下發(fā)實現(xiàn)對設備的控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要分為4部分：微控制器模塊設計、NB-IoT通信模塊設計、傳感器模塊調理電路設計以及終端電池選型。

2.1 微控制器模塊設計

微控制器模塊設計框圖如圖2所示，主要包含了NB模塊、傳感器模塊、MCU等。利用溫濕度傳感器DHT11、催化燃燒式可燃氣體傳感器MC114C、行程開關等，分別獲取燃氣井內的溫濕度、可燃氣體含量以及井蓋的狀態(tài)。MCU是整個微控制器模塊的核心部分，負責數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及與NB-IoT模塊的通信。系統(tǒng)選用STM32L452CE為主控芯片。L系列芯片有低功耗特點，其內部核心為基于超低功耗的ARM Cortex-M4 CPU，能夠最大程度減少功率損耗[9-10]。MCU主要用于完成溫濕度、可燃氣體濃度、行程開關信號的采集和處理，并將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)按照特定格式存儲到內部存儲模塊，再通過NB模塊將儲存的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，發(fā)送完成后進入低功耗模式，通過內部鬧鐘喚醒來達到定時上報的功能。

MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB模塊后，NB模塊創(chuàng)建終端和基站之間的傳輸通道上傳數(shù)據(jù)。同時也具有監(jiān)聽平臺下發(fā)命令的功能，當終端收到來自平臺下發(fā)的指令時，可及時對該指令作出響應。

MC114C可燃氣體傳感器輸出微小電信號后首先經(jīng)過運算放大器放大，再經(jīng)過A/D轉換變成MCU可以處理的數(shù)字信號；DHT11溫濕度傳感器采用單總線通信的方式與MCU的GPIO口相連；行程開關是一組常閉開關，直接連接MCU的GPIO口。MCU與NB模塊之間通過串口進行通信，模組接收到MCU通過串口上報的數(shù)據(jù)后,將payload自動封裝為CoAP協(xié)議的消息，經(jīng)由基站發(fā)送給IoT云平臺。

2.2 NB-IoT通信模塊設計

NB-IoT通信模塊進行終端與云平臺之間的信息交互。通過MCU中所編寫的指令程序來實現(xiàn)對NB模塊的操控，MCU與NB模組之間通過串口通信，將處理完成后的數(shù)據(jù)按照指定格式存儲后經(jīng)NB模塊上傳至云平臺。

BC95-B5是NB-IoT的一款高性能、低功耗的無線通信模組。本設計選用BC95-B5作為NB通信模塊，通過簡單的AT指令來完成設備入網(wǎng)。例如AT+CFUN=1可以完成射頻的開啟，AT+CGATT=1可以完成設備的入網(wǎng)，AT+CGATT？可以詢問是否已經(jīng)完成入網(wǎng)等。

2.3 傳感器模塊調理電路設計

可燃氣體傳感器的主要類型有半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、紅外氣體傳感器、光電離型氣體傳感器等。根據(jù)實際需要(考慮耗電量，成本等因素)，本設計選用MC114C催化燃燒式可燃氣體傳感器,該傳感器對甲烷以及多種可燃氣體都有較高選擇性和靈敏度,一定體積分數(shù)的可燃氣體會在催化劑的作用下與空氣中的O2接觸發(fā)生氧化還原反應，反應時溫度升高從而導致傳感器內部電阻增大。該傳感器的測量范圍為0～100%LEL，滿足燃氣井內可燃氣體泄漏量檢測需要的測量范圍。

MC114C可燃氣體傳感器的額定工作電壓為2.5 V，輸出信號范圍為0～120 mV。為了提高傳感器檢測精度并滿足電源供電要求，專門為該傳感器設計了一個調理電路，用于對傳感器輸出信號進行放大和調整供電電壓。傳感器模塊調理電路如圖3所示。

電源電壓由VCC口接入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定至2.5 V后給傳感器提供額定電壓。MC114C可燃氣體傳感器作為電橋電路的一個臂，另外一個臂由電阻R1，R2以及電位器RP1組成，RP1起調節(jié)零點作用。可燃氣體濃度發(fā)生變化后，傳感器內部的氧化還原反應溫度發(fā)生變化，導致傳感器內部電阻值變化，從而改變電橋電路的輸出信號，輸出信號由AD623芯片放大后經(jīng)OUT口發(fā)送到MCU的ADC采集端。

AD623放大倍數(shù)計算公式為

(1)

式中：Vo為芯片輸出電壓，V；RP2為可調電阻，Ω；Vc為輸入電壓，V。

ADC口的輸入電壓范圍為0～3.3 V，選取RP2為5 kΩ，放大倍數(shù)為21倍，可燃氣體傳感器輸出信號范圍擴大至0～2.52 V，滿足ADC口輸入電壓范圍并且使其采集到的數(shù)字量變化能更好地反映出井內可燃氣體濃度變化。穩(wěn)壓芯片選用HT7125-1，該芯片的特點是低功耗，低成本，穩(wěn)壓精度高。

2.4 終端電池選型

通過實際測試得到數(shù)據(jù)采集終端每次的采集和發(fā)送過程持續(xù)時間大概在20 s左右。通過在微系統(tǒng)中串入電流表來獲取終端工作電流，前5 s平均電流大概在330 mA左右，后15 s的平均工作電流大概為75 mA，休眠時工作電流在75 μA左右。

系統(tǒng)工作時的功耗計算如式(2)所示。運行時間為20 s，休眠時間設定為10 min，一次運行周期為620 s，一天的運行次數(shù)為140次左右，總運行天數(shù)按照項目需求設為2 a(730 d)。

Ww=UIwT=3.6×(0.33×5÷3600+0.075×
15÷3600)×140×730=283.605

(2)

式中：Ww為工作時的總功耗，W；U為電池額定電壓，V；Iw為工作時微系統(tǒng)中的電流，A；T為運行的總時間，h。

休眠時的功耗計算與工作時功耗計算公式類似，計算值為9.199 8 W。

總功耗計算如式(3)所示：

Ws=Ww+WD=292.804 8

(3)

式中：Ws為電池總功耗，W；WD為休眠時的總功耗，W。

根據(jù)工程經(jīng)驗，電池深度放電系數(shù)α為80%[12]。

(4)

式中：Wr為實際消耗的總功耗，W；α為電池深度放電系數(shù)。

因此本系統(tǒng)選用4節(jié)3.6 V 35 A·h的ER341245鋰亞柱式電池并聯(lián)組成電源模塊，該電源模塊能承受的最大功耗大約為504 W，滿足設計需求。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件運行流程圖如圖4所示。

程序開始運行以后首先要進行的是GPIO、USART等外設的初始化工作，然后進行傳感器數(shù)據(jù)的采集，采集完成后對數(shù)據(jù)進行相對應的濾波以及補償處理，再按照一定格式存儲到單片機中。然后NB模組入網(wǎng)，進行CDP(continuous data protection)服務器的配置，以及打開射頻、網(wǎng)絡附著等入網(wǎng)操作。入網(wǎng)成功之后首先要判斷當前的網(wǎng)絡質量如何，如果網(wǎng)絡好，直接進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送完成后獲取當前時間并切斷處于工作狀態(tài)模塊的供電，以防產(chǎn)生多余的功耗，MCU則進入休眠模式等待下一次鬧鐘喚醒；通過AT指令判斷網(wǎng)絡信號，若網(wǎng)絡信號不好就跳過發(fā)送數(shù)據(jù)的步驟，并進行相同的操作。網(wǎng)絡不好會導致數(shù)據(jù)采集終端一直處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，但是數(shù)據(jù)又無法被接收，從而導致電池電量產(chǎn)生無意義的浪費。因此，出于設備低功耗考慮，網(wǎng)絡不好的時候就跳過這一次數(shù)據(jù)采集，等待下一次喚醒。

設備入網(wǎng)主要是依靠幾條簡單的AT指令來完成。首先第一條發(fā)送的指令是AT+NCDP，該命令用于配置模塊CDP服務器，即為IoT云平臺的IP地址和CoAP端口號。接著用AT+CFUN來打開射頻功能。AT+NNMI和AT+NSMI分別為開啟兩個通知，前者是開啟發(fā)送數(shù)據(jù)通知，如果終端向云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)則PC端的串口調試助手會自動返回+NSMI:SENT提示，通過該條命令可以知道自己發(fā)送的內容從而對格式進行微調，確保發(fā)送數(shù)據(jù)格式的正確性。后者是開啟云平臺向終端發(fā)送信息的通知，如果云平臺向終端發(fā)送數(shù)據(jù)，串口會收到一條新通知，通過此通知來獲取平臺下發(fā)命令。AT+CGATT=1是激活通信模塊的網(wǎng)絡，因為激活網(wǎng)絡有延時，因此在發(fā)送激活網(wǎng)絡指令之后要再發(fā)送一條AT+CGATT?來確認網(wǎng)絡是否已經(jīng)激活成功。最后通過AT+NUESTATS？來查詢當前網(wǎng)絡的信號，如果信號沒問題，則入網(wǎng)成功可以進行下一步操作。

4 傳感器的檢測補償

4.1 溫濕度對傳感器檢測的影響

傳感器調理電路的輸出電壓經(jīng)A/D轉換后的數(shù)字量與被測物理量之間具有線性關系，實驗以25 ℃，濕度60%作為標準狀態(tài)，將MC114C可燃氣體傳感器與經(jīng)過標定的JXM-LEL傳感器同時置于密閉容器中，并通入一定濃度的可燃氣體，通過串口調試助手同時記錄未標定MC114C傳感器所采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)以及JXM-LEL所采集到的氣體濃度值，以JXM-LEL傳感器的測量值為標準值。

在溫度25 ℃，濕度60%的標準狀態(tài)下采集一系列實驗實測數(shù)據(jù)進行一元線性回歸擬合，由圖5可知，數(shù)字量數(shù)據(jù)與氣體濃度值呈線性關系，補償模型如式(5)所示，擬合優(yōu)度R2=0.996 9。

(5)

式中：L為井中可燃氣體濃度，%；Dr為標準狀態(tài)下可燃氣體濃度所對應的數(shù)字量。

溫濕度變化對傳感器靈敏度都會有不同程度的影響。將傳感器放入不同溫濕度條件下的1%濃度甲烷標氣中進行實測的實驗數(shù)據(jù)如表1所示，其中標準值為在溫度25 ℃，濕度60%環(huán)境下對應的數(shù)字量。

表1 不同溫濕度下數(shù)字量測量值與標準值偏差

由表1可知，在偏離標準溫度和濕度環(huán)境下，傳感器的測量結果與標準值偏差較大，因此，對傳感器做溫濕度補償是很有必要的。

4.2 溫濕度補償算法

對于選用的MC114C可燃氣體傳感器，其不同溫濕度下的輸出信號與標準狀態(tài)下的輸出信號比值呈一定的曲線關系，所以需要將檢測到的溫濕度用于對可燃氣體傳感器測量結果的補償校正。本文將可燃氣體傳感器置于不同溫度和濕度的環(huán)境中，并通入百分之一濃度的甲烷標氣，待氣體濃度穩(wěn)定后，通過串口調試助手記錄傳感器采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)，求出實驗記錄的數(shù)字量數(shù)據(jù)與標準環(huán)境下所采集到的數(shù)字量數(shù)據(jù)之間的比值。在溫度范圍為10～45 ℃，濕度范圍為5%～90%的環(huán)境下，采集數(shù)據(jù)共50組。

由于數(shù)字量比值同時受到溫度和濕度兩者的影響，所以要進行二元函數(shù)的擬合。本文構建了一個MC114C可燃氣體傳感器的溫濕度補償項如式(6)所示，只要求出式(6)中a～f各個常數(shù)項，就可以得到溫濕度與數(shù)字量比值之間的輸入輸出關系。

(6)

式中：a～f為常數(shù)項；ε為隨機誤差項；Dc為不同溫濕度環(huán)境下所采集到的數(shù)字量；Dr為標準環(huán)境下氣體濃度對應的的數(shù)字量；T為溫度，℃；H為濕度，%。

將實驗得到的50組數(shù)據(jù)中溫度和濕度歸一化后與數(shù)字量比值代入式(6)，并采用最小二乘法求出常數(shù)項的估計值。經(jīng)過計算得到a=-0.115 1，b=0.154 6，c=0.052 9，d=-0.104 6，e=-0.070 9，f=1.032 8。擬合度R2=0.955 3。最后將式(6)代入式(5)可得最終經(jīng)過溫濕度補償后的公式為

(7)

4.3 補償驗證

在實驗室環(huán)境下通過將MC114C傳感器置于不同溫濕度條件下的1%濃度甲烷標氣中進行檢測，記錄應用端軟件所顯示的各個終端的可燃氣體濃度值，作為當前的測量值。

表2 傳感器精度測試結果

由表2可知，在不同溫濕度環(huán)境下，可燃氣體傳感器的測量值與真實值較為接近，平均測量誤差保持在±5%以內,滿足設計需求。

5 結束語

為了對燃氣井中的可燃氣體含量進行實時監(jiān)測，本文設計了基于NB-IoT技術的燃氣井實時監(jiān)測系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集層、人機交互監(jiān)測系統(tǒng)等軟硬件開發(fā)?？紤]到燃氣井中惡劣的運行環(huán)境，根據(jù)溫濕度變化對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行了校正。實驗結果表明，該系統(tǒng)擁有運行穩(wěn)定、功耗低、獲取數(shù)據(jù)便捷、建設成本合理等特點，可以為以后NB技術的廣泛應用提供參考。