白 濤，郝繼升，曹新亮，楊 銳，張向清

（1.延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，延安 716000；2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，延安 716000)

0 引言

氣壓傳動系統(tǒng)因其輸出較大能量、抗過載能力強(qiáng)及惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，成為工業(yè)車間生產(chǎn)過程自動化和機(jī)械化的重要方式。然而因氣壓調(diào)節(jié)閥制造質(zhì)量、閥門的氣蝕和介質(zhì)的沖刷以及氣壓調(diào)節(jié)閥磨損老化等原因極易引發(fā)氣體泄漏，造成能量和經(jīng)濟(jì)損失，因而需要人員周期性維護(hù)，尤其在大型氣動系統(tǒng)中，管道數(shù)眾多，人工管理難度大大增加，浪費(fèi)大量人力、物力及財力。

氣動系統(tǒng)中氣體泄漏監(jiān)測難[3～5]主要存在以下幾方面因素。首先因氣壓系統(tǒng)中多數(shù)介質(zhì)為空氣，被認(rèn)為無需成本且其泄漏不會產(chǎn)生安全問題，因而難以得到重視；其次傳統(tǒng)氣壓系統(tǒng)泄漏監(jiān)測大多采用人工管理的模式，該監(jiān)測方式多用排除法，需要人員精確人工監(jiān)測各個管氣壓狀況以防止氣壓泄漏，在這種模式很難覆蓋到全面，費(fèi)時費(fèi)力且存在監(jiān)測效率低問題；再者現(xiàn)有氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測和維護(hù)成本較高。目前針對工業(yè)危害氣體泄漏監(jiān)控的測控方面[6～13]已有不少研究，李家琨[14]等研究了氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)，介紹了國內(nèi)外氣體泄漏紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；張峰[15]等對有害氣體監(jiān)測技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSNs）技術(shù)的氣體泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。程磊[16]等針對危險氣體泄漏定源問題，采用Z字形算法和濃度梯度算法結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)泄漏源的快速定位。上述研究對氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)做了重要的探索，然而現(xiàn)有氣體泄漏監(jiān)測難以滿足實(shí)際生產(chǎn)車間氣壓傳動的系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)用。因此，如何利用信息化手段科學(xué)、高效、低成本實(shí)現(xiàn)管理車間氣體泄漏以及降低經(jīng)濟(jì)成本，成為管理者亟待解決的問題。

為此，本文以大型氣壓傳動系統(tǒng)為研究對象，針對氣動系統(tǒng)中氣體泄露問題，提出以STC89C52單片機(jī)和MPX4115A數(shù)字式氣壓傳感器設(shè)計終端氣體壓力監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云平臺、B/S架構(gòu)和MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計氣體壓力信息化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對氣體泄露進(jìn)行全方位監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 功能需求分析

為了實(shí)現(xiàn)對氣體泄露的多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控，及時對異常泄露點(diǎn)報警，確保氣動裝置處于良好的運(yùn)營狀態(tài)。首先需要實(shí)現(xiàn)管路氣體壓力的智能互聯(lián)，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測氣動裝置作業(yè)時各個管道氣壓數(shù)據(jù)；其次，建立信息化監(jiān)測系統(tǒng)，對多點(diǎn)管路氣體壓力進(jìn)行統(tǒng)一管理；最后，為設(shè)備管理改進(jìn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能。

因此據(jù)上述需求分析，確定系統(tǒng)具體功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集功能：設(shè)計壓力系統(tǒng)能采集設(shè)備工作壓力參數(shù)，并能實(shí)時監(jiān)控各設(shè)備的工作狀態(tài)；

2）數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理功能：管理設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理氣動裝置的多點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)及管理歷史數(shù)據(jù)等；

3）統(tǒng)計分析功能：匯總系統(tǒng)管路壓力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)工作原理及組成

基于云平臺和B/S架構(gòu)（Browser/Server），應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)，對車間氣動裝置氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對氣體壓力的自動化、網(wǎng)絡(luò)化管理。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織性，網(wǎng)絡(luò)布置不需要架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，適合于多點(diǎn)、密集型負(fù)責(zé)管路監(jiān)測場景，因此設(shè)計車間管路氣壓信息化監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)組成如圖1所示。將系統(tǒng)總體架構(gòu)分為3部分：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

圖1 氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1）數(shù)據(jù)采集層，由若干個壓力傳感器節(jié)點(diǎn)組成，布置在管路連接處負(fù)責(zé)監(jiān)測氣壓狀態(tài)，獲取異常狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)傳輸層，利用ZigBee自組網(wǎng)、低成本及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)管路氣體數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用層，負(fù)責(zé)將前端數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，提供給用戶各個節(jié)點(diǎn)壓力參數(shù)實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜管路壓力遠(yuǎn)程監(jiān)測的統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)基本流程：ZigBee網(wǎng)關(guān)定時接收由ZigBee終端傳感器節(jié)點(diǎn)上發(fā)管路壓力數(shù)據(jù)，由匯聚路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)庫用于存儲與管理。最終數(shù)據(jù)應(yīng)用層采用Vue+Element+UI進(jìn)行實(shí)時頁面顯示。其中，數(shù)據(jù)庫采用開源MySQL數(shù)據(jù)庫，WEB服務(wù)器采用對php支持且開源的Apache網(wǎng)頁服務(wù)器。

2 氣壓信息化監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)框架

監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)主要網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器和終端傳感器節(jié)點(diǎn)2部分組成。其中以基于壓力傳感器芯片MPX4115作為氣壓傳感器的終端傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集氣動裝置管道中的氣壓模擬量大小，AD轉(zhuǎn)換后在LCD12864液晶顯示，并通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WIFI網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測管路壓力數(shù)據(jù)的有力保障，確保系統(tǒng)各個節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)得到有序統(tǒng)一管理，系統(tǒng)以STM32F103R8T6作為實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與WIFI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間控制器，其中WIFI網(wǎng)絡(luò)采用海凌科電子的UART-ETH-WIFI（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊HLKRM04，基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)及無線網(wǎng)（WIFI）3個接口之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計采用串口數(shù)據(jù)（UART）轉(zhuǎn)無線網(wǎng)（WIFI）功能，電路原理圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器原理圖

2.3 氣體監(jiān)測終端系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)氣體監(jiān)測終端系統(tǒng)的功能，終端微控制器采用STC89C52單片機(jī)，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器能夠滿足終端系統(tǒng)設(shè)計需求。為便于人員觀察和異常報警提示，設(shè)計LCD12864和蜂鳴器，終端監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 終端監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

氣壓傳感器對于氣體監(jiān)測終端系統(tǒng)至關(guān)重要，選型時需要綜合車間實(shí)際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)。本設(shè)計使用壓電電阻傳感器MPX4115，在0℃～85℃的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補(bǔ)償是-40℃～125℃。氣壓傳感器MPX4115輸出的是模擬電壓，因此，必須進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換才能交由單片機(jī)處理，關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換，本課題中采用一種電壓頻率轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)模擬電壓數(shù)字化的處理。針對電路的實(shí)際需要設(shè)計選用ADC0804是一種分辨率為1/256的單通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。氣體監(jiān)測電路原理如圖6所示。其中設(shè)計讓CS和RD接地，通過控制WR來實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。

圖5 氣壓模擬量采集原理圖

已知ADC0804參考電壓為2.56V，考慮到簡化電路，選擇用電阻分壓的形式提供2.5V的電壓。已知輸入電壓最大不可以超過其芯片工作電壓5V，為保證輸出電壓范圍為0～10V狀態(tài)下正常運(yùn)行，設(shè)計時其模擬輸入端并一個10K的限流電阻與0.1uF電容，能夠滿足AD采樣的速度要求。

3 氣壓信息化監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，功能包括各個管路節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)采集、顯示、統(tǒng)計分析及下載管理等功能。

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

為便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各路節(jié)點(diǎn)壓力信號的采集、無線傳輸以及統(tǒng)一存儲管理。因此協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將接收ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至WIFI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，因協(xié)議網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通訊是串口通信，設(shè)計通信協(xié)議如表1所示，數(shù)據(jù)格式采用小端方式，包括幀頭、源地址、目的地址、功能碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校驗(yàn)位、幀尾，一幀為8byte。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

其中，幀頭和幀尾，用于定位報文；地址和目的地址，定義數(shù)據(jù)來源方和接收方，便于多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理；功能碼標(biāo)識了通信報文內(nèi)容類型，包括上傳報文、下發(fā)報文和心跳報文等；為了確保傳輸數(shù)據(jù)正確性，將源地址、目的地址、功能碼及數(shù)據(jù)內(nèi)容做CRC-8校驗(yàn)的結(jié)果作為校驗(yàn)碼內(nèi)容。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)基于layui的輕量級前端后臺管理框架開發(fā)，利用前后端分離的模式進(jìn)行PC端開發(fā)，在服務(wù)器端使用 SpringBoot提供統(tǒng)一接口，以ResultfulApi的規(guī)范將結(jié)果集封裝為JSON數(shù)據(jù)以供Web端進(jìn)行Ajax的異步調(diào)用。節(jié)點(diǎn)壓力顯示部分前端源代碼如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)壓力顯示前端源代碼

4 系統(tǒng)功能試驗(yàn)

4.1 通信功能測試

通過Keil進(jìn)行程序設(shè)計并構(gòu)建基于Proteus仿真電路進(jìn)行系統(tǒng)功能測試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能正確性。在按鍵沒有動作之前，設(shè)定監(jiān)測壓力為40kPa，實(shí)際監(jiān)測壓力為37kPa當(dāng)按鍵K4按下時，氣壓設(shè)定值隨之變換，在LCD12864上交替顯示變化結(jié)果。如圖7所示為仿真電路各模塊運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，表明氣壓傳感器MPX4115能夠?qū)崟r采集節(jié)點(diǎn)壓力大小，并按照協(xié)議向串口ZIGBEE_TX端發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計的氣體監(jiān)測終端系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量和顯示電壓值，能滿足實(shí)際檢測需求。

圖7 基于Proteus仿真電路

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能試驗(yàn)

氣體監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測界面和報表打印界面如圖8、圖9所示，圖8中了顯示4路節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，可根據(jù)監(jiān)測管路節(jié)數(shù)增加而增加。壓力監(jiān)控界面結(jié)果表明，監(jiān)控管理系統(tǒng)能接收并成功解析協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)報文信息，并實(shí)時顯示在WEB前端，解析顯示的結(jié)果與節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)一致。

圖8 節(jié)點(diǎn)氣壓實(shí)時界面

圖9 報表打印界面

5 結(jié)語

1）針對管路節(jié)點(diǎn)壓力監(jiān)控的問題，提出基于以ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、STC89C52及STM32單片機(jī)構(gòu)建氣體終端采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集管路壓力信息，完成氣動裝置的管路壓力監(jiān)測。

2）基于云平臺技術(shù)和采用B/S架構(gòu)，設(shè)計了氣壓信息化遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)管路節(jié)點(diǎn)壓力實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)顯示、統(tǒng)計分析、報表打印等功能。

3）系統(tǒng)功能試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備一定的通用性，靈活性較強(qiáng)，提高了車間氣體泄漏監(jiān)測效率，降低了遠(yuǎn)程氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和監(jiān)測成本，且為其他設(shè)備的信息化管理下了基礎(chǔ)。