佘世剛 朱明亮 袁崢崢 趙宇 胡月娥

摘? 要： 為了確保LNG動力汽車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出一種基于GPRS無線傳輸?shù)能囕dLNG氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC51單片機(jī)為主控芯片，主要設(shè)計(jì)甲烷濃度采集電路、溫度采集電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路、GPRS無線通信電路等，可把測量的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器中，最后將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在LabVIEW平臺上處理后顯示，實(shí)現(xiàn)氣瓶安全的在線監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地檢測甲烷濃度值及罐體與環(huán)境溫差，在不良狀況時(shí)能及時(shí)有效地報(bào)警，達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞： LNG氣瓶檢測; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 無線傳輸; 在線檢測; 數(shù)據(jù)分析; 實(shí)時(shí)預(yù)警

中圖分類號： TN926?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

隨著能源危機(jī)的不斷加重，天然氣作為一種清潔能源被廣泛用于各種動力系統(tǒng)，尤其是液化天然氣（LNG）動力汽車。但在實(shí)際的使用中，由于氣瓶的使用年限變長、車況路況不佳產(chǎn)生震動等都可能導(dǎo)致LNG氣瓶的損壞，此時(shí)氣瓶內(nèi)膽的液化天然氣受熱急劇氣化，輕則導(dǎo)致安全閥頻繁跳起，浪費(fèi)能源;重則導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此保障其在使用過程中的安全顯得十分重要[1]。目前，LNG氣瓶的檢測大都是在檢測機(jī)構(gòu)完成的，所以這種方式不能對未送檢的氣瓶進(jìn)行安全監(jiān)測，但隨著LNG動力汽車的保有量變大，使用年限變長，日常行駛中的LNG動力汽車將會是一個重要的安全隱患。針對此，本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的車載LNG氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)對氣瓶實(shí)時(shí)預(yù)警的目的。

1? 監(jiān)測系統(tǒng)概述

本文系統(tǒng)主要由傳感器采集數(shù)據(jù)裝置、數(shù)據(jù)接收處理裝置、數(shù)據(jù)發(fā)送裝置、顯示報(bào)警裝置和上位機(jī)監(jiān)測裝置5個部分組成。傳感器組把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)電路處理后送進(jìn)單片機(jī)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在車載LCD上并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，當(dāng)測量數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警提醒司機(jī)和監(jiān)管人員注意。

為了提高系統(tǒng)的監(jiān)測精度，需要對傳感器的放置位置進(jìn)行研究。通過分析近年來LNG汽車燃?xì)庑孤┌咐?，燃?xì)庑孤┲饕性趦蓚€方面：一是儲氣瓶出口連接處、減壓閥連接處，閥門腐蝕等;二是氣瓶夾層的真空度破壞，氣瓶的絕熱性能下降或失效，罐體出現(xiàn)“冒汗”或結(jié)霜現(xiàn)象[2]，此時(shí)罐體溫度與環(huán)溫相差較大。同時(shí)考慮到甲烷密度小于空氣密度，天然氣泄漏后會漂浮在相對密封空間內(nèi)上方。所以應(yīng)將氣體傳感器布置在氣瓶箱內(nèi)有接口一端附近的上方，溫度傳感器固定在氣瓶表面。

2? 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

傳感器采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、顯示報(bào)警電路、無線傳輸電路及供電電路構(gòu)成了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分。其硬件總框圖如圖1所示。

2.1? 氣體傳感器數(shù)據(jù)采集電路

本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體氣體傳感器來準(zhǔn)確測量氣瓶附近天然氣濃度，經(jīng)過選型分析，最終選擇MQ?4氣體傳感器。該傳感器采用在潔凈空氣環(huán)境電導(dǎo)率偏低的二氧化錫（SnO2）為氣敏材料，能監(jiān)測多種可燃性氣體，尤其對天然氣的監(jiān)測尤為敏感，是一款低成本的多用途傳感器[3]。MQ?4氣體傳感器電路比較簡單，分為加熱部分和檢測部分。其中VH 處接直流電源，一為傳感器提供特定的工作溫度，二為測試電路提供電壓。由于本設(shè)計(jì)需要根據(jù)AOUT的電壓顯示氣體濃度值，但51單片機(jī)本身不自帶A/D模塊，所以需再設(shè)計(jì)ADC轉(zhuǎn)換電路。綜合考慮選擇ADC0832作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，其是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用的是5 V供電，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容。氣體傳感器與ADC0832的連接如圖2所示。

2.2? 溫度傳感器采集電路

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，及時(shí)檢測氣瓶絕熱性能，本文還對氣瓶外殼和環(huán)境溫度進(jìn)行了測量。綜合各方面因素考慮，本文選擇了DS18B20溫度傳感器，其具有耐磨耐碰、體積小、封裝形式多樣、支持多點(diǎn)組網(wǎng)等特點(diǎn)。此外，其測溫范圍廣，在-55～125 ℃之間，同時(shí)具有可編程分辨率功能，最高可分辨溫度為0.062 5 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫;獨(dú)特的單線接口方式，實(shí)現(xiàn)了用一根線即可與單片機(jī)雙向通信。

2.3? LCD顯示、報(bào)警電路

為了讓駕駛員實(shí)時(shí)了解氣瓶安全情況，在出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)收到報(bào)警信息，本文還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警的電路。綜合考慮，本文選擇LCD1602液晶作為顯示模塊，選擇無源蜂鳴器作為報(bào)警模塊。LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號的點(diǎn)陣型液晶模塊，使用起來也比較方便，其中RS引腳為數(shù)據(jù)/命令選擇端，R/W為讀/寫選擇端，D0～D7為數(shù)據(jù)I/O[4]，可通過程序設(shè)定數(shù)據(jù)總線為4位或8位。另外，本文還選擇了無源蜂鳴器作為報(bào)警模塊，外圍電路比較簡單，只需用2～5 kHz的方波驅(qū)動。相比于有源蜂鳴器，其具有價(jià)格便宜、聲音頻率可控等優(yōu)點(diǎn)。

2.4? GPRS無線通信電路

GPRS又稱通用無線數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)，是在GSM基礎(chǔ)上改進(jìn)的無線傳輸系統(tǒng)，有傳輸速度快、通信協(xié)議多、使用成本低等特點(diǎn)[5]。本系統(tǒng)選擇SIMCom公司的SIM900A作為通信芯片，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給服務(wù)器。SIM900A是一款外形小巧、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高的GPRS模塊，是一個2頻的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，單片機(jī)通過串口發(fā)送AT 指令即可控制，實(shí)現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)的傳輸[6]。本設(shè)計(jì)使用的是SIM900A的數(shù)據(jù)傳輸功能，在使用時(shí)需將模塊的TXD，RXD分別與單片機(jī)的RXD，TXD相連。

2.5? 單片機(jī)最小系統(tǒng)及系統(tǒng)硬件圖

本系統(tǒng)采用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C516作為主控芯片，用來控制外設(shè)及數(shù)據(jù)處理。其是一個8位的處理器，擁有4 KB ROM、128 B RAM、4個8位并行口、1個全雙工串行口、2個16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個中斷源，支持串口通信[7]。晶振電路和復(fù)位電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要部分。晶振電路主要為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，復(fù)位電路主要用來保障系統(tǒng)程序穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍連接電路如圖3所示。

3? 監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于GPRS無線傳輸?shù)能囕dLNG氣瓶監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是本文系統(tǒng)的重要組成部分，主要對微控制器、傳感器、SIM900A等硬件進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)處理以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1? 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

為了方便調(diào)試及移植方便，下位機(jī)的程序是通過Keil μVision4軟件編寫的[8]。主要分為硬件初始化和數(shù)據(jù)處理兩個部分，流程圖如圖4所示。

3.1.1? 硬件初始化程序

首先對微處理器C51進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器的工作方式及初值，開放相應(yīng)的中斷源的中斷并設(shè)置優(yōu)先級，配置串口相應(yīng)工作方式及波特率等;外設(shè)初始化包括氣體和溫度傳感器、報(bào)警顯示模塊、無線通信模塊的初始化。

3.1.2? 數(shù)據(jù)處理程序

此部分主要對傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DS18B20上電狀態(tài)下默認(rèn)的精度是12位，在總線控制器發(fā)出[44h]命令后，轉(zhuǎn)化后得到的數(shù)據(jù)12被存儲在兩個8位的RAM中，高5位為符號位，分辨率為0.062 5，正溫度把十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)成十進(jìn)制即可;負(fù)溫度把十六進(jìn)制數(shù)取反后加1再轉(zhuǎn)成十進(jìn)制數(shù)。

此外系統(tǒng)中需顯示天然氣的濃度值，那么就需要知道電壓升高與被測氣體濃度增加的關(guān)系。實(shí)測在無天然氣的環(huán)境下，AUOT端電壓為0.5 V，當(dāng)檢測到天然氣時(shí)，電壓每升高0.1 V，實(shí)際被測氣體濃度增加200 ppm 。同時(shí)由于氣體傳感器靈敏度受溫度的影響較大，所以為了提高系統(tǒng)的監(jiān)測精度，增加軟件修正進(jìn)行溫度補(bǔ)償[9]。

3.2? 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測的編程，LabVIEW是由美國NI公司創(chuàng)立的一個功能強(qiáng)大而靈活的儀器和軟件應(yīng)用開發(fā)工具。其顯著特點(diǎn)是可以利用前面板設(shè)計(jì)非常直觀的人機(jī)交互，程序框圖設(shè)計(jì)采用的是圖形化源代碼，是基于VI的模塊化設(shè)計(jì)。

3.2.1? 對數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)計(jì)

LabVIEW有多種方式來訪問操作數(shù)據(jù)庫，本設(shè)計(jì)選擇通過LabSQL的方式，LabVIEW只需調(diào)用子VI即可對數(shù)據(jù)庫操作。另外數(shù)據(jù)庫的種類有多種，LabSQL也不僅僅支持一種，為了使用方便，本文選擇了Mierosoft Access數(shù)據(jù)庫[10]。