基于PIC單片機(jī)的低功耗供熱檢查井泄漏防盜報(bào)警系統(tǒng)*

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,集中供熱以其節(jié)約能源、減少污染、方便人民群眾生活的綜合性經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益,的優(yōu)勢逐漸取代了小鍋爐,特別是20世紀(jì)90年代以來,在全國各地政府的支持下得到了飛速的發(fā)展,在城市基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮越來越大的作用,隨著管網(wǎng)范圍的延伸,管網(wǎng)檢查井的數(shù)量也成倍的增長,在供熱管網(wǎng)的檢查井中,一般安裝有閥門、減壓器、補(bǔ)償器等管件及其保溫層。隨著供熱介質(zhì)溫度的變化,管道就會(huì)發(fā)生膨脹和收縮,從而產(chǎn)生應(yīng)力,該應(yīng)力一般靠補(bǔ)償器的伸縮來釋放,由于供熱介質(zhì)溫度變化的比較頻繁造成管道一直處于收縮伸長的變化中,所以補(bǔ)償器是熱網(wǎng)的易損部件,另外檢查井中的閥門由于長期處在潮濕環(huán)境中,極易被腐蝕發(fā)生泄露的機(jī)會(huì)也很大,如果檢查井中的部件發(fā)生長時(shí)間泄露無論對(duì)居民小區(qū)的供暖還是對(duì)一級(jí)管網(wǎng)的正常輸熱都會(huì)產(chǎn)生很大的影響,甚至?xí)p壞檢查井的建筑結(jié)構(gòu),所以對(duì)檢查井內(nèi)部進(jìn)行泄露檢測并及時(shí)報(bào)警是非常有必要的[1]。

2 檢測原理

圖1 檢查井內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

一般檢查井內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1,最容易發(fā)生損壞的部位就是圖中所標(biāo)的1~4四個(gè)彎頭,它們所承受的變形應(yīng)力最大而且高壓水對(duì)他們的沖擊也是最大的[2]。所以在這四個(gè)部位各安裝兩個(gè)溫度傳感器,檢測保溫材料內(nèi)外的溫度,根據(jù)保溫材料的熱傳導(dǎo)特性內(nèi)外的溫差如果過于接近說明供熱介質(zhì)已經(jīng)滲透保溫層。另外在檢查井的最下端安裝液位開關(guān),如果是其他部位泄露當(dāng)水位超過液位開關(guān)報(bào)警線時(shí)表示檢查井內(nèi)已經(jīng)積水應(yīng)該進(jìn)行檢查。對(duì)于野外檢查井井蓋和閥門經(jīng)常失竊,給供熱網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行造成極大威脅。所以在井蓋安裝防盜開關(guān),在未經(jīng)備案的情況下井蓋被打開就可認(rèn)為被強(qiáng)制打開。單片機(jī)通過GPRS模塊向監(jiān)控中

心發(fā)送泄露或者井蓋被盜信息,監(jiān)控人員就可以根據(jù)信息的內(nèi)容進(jìn)行搶修。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以微芯公司的超低功耗單片機(jī)PIC24F16KA102為控制芯片,在僅開啟RTCC功能同時(shí)將所有IO口設(shè)置成高阻狀態(tài)時(shí)實(shí)測功耗小于300nW,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在鋰電池供電的情況下低功耗長時(shí)間運(yùn)行。系統(tǒng)的其他部分在不工作時(shí)幾乎不耗電,所以在待機(jī)狀態(tài)下整個(gè)系統(tǒng)的功耗都會(huì)小于300nW。測溫元件采用DS18B20,系統(tǒng)總體框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

3.1 檢測部分電路設(shè)計(jì)

檢測部分包括液位開關(guān)、防盜開關(guān)、測溫系統(tǒng)三部分,液位開關(guān)和防盜開關(guān)分別與單片機(jī)的外部中斷管腳,DS18B20連接到單片機(jī)的普通IO口,電路原理圖如圖3[3]。單片機(jī)可以由外部中斷1、2從休眠狀態(tài)中喚醒,表示液位開關(guān)閉合或者防盜開關(guān)閉合。而單片機(jī)還可以利用RTCC功能定時(shí)喚醒檢測溫度傳感器的溫度判斷管道是否發(fā)生泄露[4]。

圖3 檢測部分電路原理圖

3.2 GPRS模塊部分電路原理圖

圖4 單片機(jī)與GPRS模塊接口

在系統(tǒng)檢測到泄露之后,需將泄露信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器,系統(tǒng)利用GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將編碼的泄露信息傳入遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器中,實(shí)現(xiàn)閥井的實(shí)時(shí)監(jiān)測。模塊選用的是Quectel-M10,在模塊中自帶TCP/IP協(xié)議,兼容AT指令集,可由外部管腳控制模塊的開關(guān),而且正常工作時(shí)功耗低,延長鋰電池的使用時(shí)間。單片機(jī)與GPRS模塊的接口電路圖如圖4。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)軟件程序主要由RTCC定時(shí)程序、溫度檢測程序、外部中斷喚醒程序、數(shù)據(jù)打包發(fā)送程序組成,程序進(jìn)行初始化后首先對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行巡檢,確認(rèn)所有設(shè)備工作正常且沒有泄露后就啟動(dòng)RTCC定時(shí)并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)以節(jié)省電池電量,一旦液位開關(guān)或者防盜開關(guān)被觸發(fā),單片機(jī)就被喚醒,啟動(dòng)GPRS模塊將信息打包后發(fā)送到服務(wù)器端,在沒有外部中斷觸發(fā)的情況時(shí),單片機(jī)由RTCC定時(shí)器定時(shí)喚醒對(duì)外不檢測設(shè)備進(jìn)行巡檢,如果發(fā)現(xiàn)泄漏情況同樣啟動(dòng)GPRS模塊對(duì)信息打包發(fā)送,程序流程圖如圖5。

表1 數(shù)據(jù)包格式

在打包發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),為讓服務(wù)器端能正確的解讀出數(shù)據(jù)包包含的泄露信息、發(fā)生泄漏的檢查井編號(hào)必須對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行規(guī)定,首先是包頭,然后是手機(jī)號(hào)碼用來區(qū)分井號(hào),然后依次是泄露信息、校驗(yàn)數(shù)據(jù)和包尾。具體格式如表1。

圖6 上位機(jī)報(bào)警界面

圖7 設(shè)備在線監(jiān)測界面

服務(wù)器端接收到數(shù)據(jù)后,按照約定的格式進(jìn)行解包,同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警,這樣就實(shí)現(xiàn)了閥井泄露的實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖6、7就是上位機(jī)檢測軟件報(bào)警和設(shè)備在線情況的界面。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用超低功耗單片機(jī)PIC24F16KA102為主控芯片,利用溫度傳感器、液位開關(guān)和防盜開關(guān)對(duì)供熱檢查井的泄露情況進(jìn)行及時(shí)的檢測,同時(shí)對(duì)惡意打開井蓋的情況進(jìn)行檢測,并可以將信息及時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)檢查井的實(shí)時(shí)監(jiān)測,對(duì)檢查井泄露只能靠事故發(fā)生后造成的影響進(jìn)行判斷的方法提供的一個(gè)全新的解決方案,最大化的減小了經(jīng)濟(jì)損失,為提高管網(wǎng)的自動(dòng)化檢測水平發(fā)揮了重要作用,本系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用,檢測和防盜效果非常好,具有很大的發(fā)展前景。