下水道可燃气体GPRS无线监测系统
2009-09-03
作者：致远电子
1 原理概述
在城市生产生活中，会产生大量的生活废水和工业废水，这些废水中含有的各种物质，经过复杂的化学反应会生成各种有毒有害及可燃性的气体。这些气体不但会污染周边环境，影响人民群众的生活质量，而且还可能发生剧烈的爆炸，严重威胁到人民群众的生命财产安全。
基于现实生活中的迫切需求，有必要对城市环境中存在的各种气体进行实时检测，以免造成生命财产损失等严重后果。本期介绍一种检测下水道中可燃性气体的设备。
在下水道中，可燃性气体的主要成分是甲烷。因此，我们可以通过可燃性气体传感器来实时地监测下水道气体中甲烷的含量，当其浓度超标时及时通知管理人员进行处理。
2 通信方式
现场采集终端与监控中心的通信方式，有以下几种常见的方式：
方案1：现场采集终端和监控中心都接入互联网，所有数据通过互联网交互。该方案的优点是网络覆盖面大，监控中心布置灵活。但缺点是要求现场采集点附近有宽带网络接入点，所以对监测点的选择有较大的限制，同时有线方式施工维护比较繁琐。
方案2：现场采集终端和监控中心都安装无线数传电台，所有数据直接以无线方式传输。该方案的优点是不用布线，对监测点的选择灵活。但缺点是要架设电台天线，而且功率受法规限制，信号覆盖范围有限。
方案3：现场采集终端采用GPRS无线方式接入互联网，监控中心采用专线或有线宽带接入互联网。该方案同时具有覆盖面广（有手机信号的地方就能安装监测终端）、安装方便、维护成本低（按流量收费）、通信稳定可靠等优点，是该应用的最佳通信方案。
3 系统组成
本系统由可燃性气体传感器、现场数据采集设备、监控中心服务器和数据库软件等几大部分组成，系统组成如图1所示。
3.1 可燃性气体传感器
可燃性气体传感器是将设备现场的可燃性气体的体积含量转换为标准电信号输出或者通过数字方式以一定的通信协议输出的设备。可燃性气体传感器主要分为半导体式、催化燃烧式、热传导式和红外式等不同类型。传感器的数据输出分为电压型、电流型、数字通信型等类型。其中红外式传感器是目前比较先进的传感器，具有使用寿命长、气体选择性好、不易受有害气体影响而中毒老化等优点，但其售价也相对较高。综合各种考虑，我们推荐用户采用红外式可燃性气体传感器。图2是市场上常见的一些知名品牌的气体传感器。
3.2 现场数据采集设备
现场数据采集设备要求能够以一定周期从传感器读取采样结果，进行初步的预警报警判断，并且将采样结果通过GPRS数据传输的方式发送到监控中心服务器。
工业现场的工作条件一般较为恶劣，因此要求数据采集设备必须具备一些特定的功能。
(1)防水功能：要求采样终端设备能长期抵御雨水淋溅和潮气侵入，以保证内部电子器件正常工作，通常要求防水等级在IP64以上；
(2)内置电池：保证设备在市电停电后仍然能够正常工作一段时间；
(3)日志功能：能够保存设备一定时间内的运行状态，方便日后管理人员进行分析；
(4)参数可设置：设备必须能够设定检测气体浓度时的报警预警值，检测气体的周期，采样数据的上传周期等参数，方便用户接驳不同类型的传感器；
(5)内置时钟：方便对采集的数据添加时间戳。
广州致远电子有限公司研发生产的GPRS数据采集传输设备ZWG-PT01就是一款满足上述要求的产品。该产品具有IP65的防护等级，内置1.3 Ah的密封铅酸蓄电池，智能数据报警预警判断，能够保存一周的工作日志等特点。ZWG-PT01产品的外形如图3所示。
(1)产品主要特性
· 整机采用适合户外使用的聚碳酸酯材料(PC)外壳，达到IP65防护等级(防尘、防水喷淋），并且抗太阳光紫外线；
· GPRS天线内置，防止被破坏；
· 市电220 V供电，整机最大功耗小于5 W；
· 10个LED指示灯用于指示设备的工作状态和异常状态；
· 内置备用电池，在交流220 V市电停电时可持续供电4 h；
· 输出符合本安要求的电源(12 V最大350 mA)供外部传感器使用；
· 通过RS485接口获取可燃性气体传感器的采样数据；
· 内置高精度工业级实时时钟(最大误差：0.5 s/d)，方便添加时间戳；
· 具备温度、湿度、工作电压等测量功能，方便维护人员了解设备运行状态；
· 内置300条采样数据存储空间，用于通信异常时缓存采样数据；
· 内置大容量Flash器件，能记录最近一周内设备运行日志信息；
· 支持短信报警和短信配置设备参数功能；
· 支持本地串口升级和远程GPRS升级，方便程序更新。
(2)电源管理
为了保证偶然的短期停电时不影响设备的正常工作，同时为了保证停电情况下紧急状态时设备能够继续工作一段时间，设备内置了1.3 Ah的密封铅酸蓄电池。在市电正常情况时，蓄电池处于自动充电状态；在市电停电后，设备根据当前工作模式决定开机时间长短。图4是设备各个工作模式转换的示意图。
(3)数据采集
ZWG-PT01通过RS485总线采集传感器采样得到的气体浓度数据。在RS485总线上可以安装多个气体传感器，方便用户对一定范围之内的可燃性气体的含量进行多点检测，方便用户升级气体传感器，也方便用户增加检测气体的种类。
设备获取到原始气体浓度之后，使用软件滤波算法进行滤波处理。用户通过配置选项可以控制该算法的滤波强度。滤波之后的数据与用户预先设定的预警报警值进行比较判断，如果达到用户设定的预警报警值，则该数据为异常数据，否则为正常数据。
(4)数据通信
对于正常数据，设备会周期性地将其上传到服务器。对于异常数据，设备会将其立即上传至服务器。另外用户还可设置数据异常时设备是否发送报警短信到指定手机。
设备将数据上传到服务器之后，等待来自服务器的应答。只有接收到服务器的应答，设备才认为一帧数据发送成功。
如果用户使能了短信数据传输功能，则管理人员可以发送短信息更改设备的运行参数，或者获取设备运行的关键信息。
在设备运行的过程中，如果由于某些原因导致网络连接断开，则设备能够自动重新建立与服务器的连接。自动重连的过程不影响数据的采样，也不会丢失采样数据。
3.3 监控中心服务器
监控中心服务器的功能是接收ZWG-PT01数据采集设备上传的采样数据，完成数据的显示和保存，提供历史数据的查询分析，生成各种报表等。同时，当接收到异常数据时，服务器应该能够提醒管理人员进行紧急处理。
监控中心服务器必须是能够连接到互联网的计算机，可为其申请固定IP或者动态域名。
数据采集设备ZWG-PT01上电后，会以TCP客户端的方式自动连接监控中心服务器。如果连接不成功会继续重连，直到连接成功。
4 设备安装注意事项
(1)设备使用GPRS无线方式通信，因此应选择在不屏蔽手机信号的地点安装；
(2)不要在禁止使用射频设备的场合使用该设备，例如加油站和医院内部；
(3)设备具有IP65的防护等级，请不要在超出其防护等级的场合使用该设备。
该设备在多个城市投入使用后，运行稳定可靠，有效地检测到潜在的可燃性气体的危险，维护了广大人民群众的生命财产安全，产生了良好的社会和经济效益。通过选配不同的传感器，配置不同的运行参数，该设备同样适用于环境检测场合，满足各种不同的需求。