一種基于DSP和無(wú)線傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體及液體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。在化工、石油、染料以及其他行業(yè)中就有許多有害物質(zhì)，如液化石油氣、氨、氯、硫化氫、二氧化硫及酒精等，如果在生產(chǎn)或運(yùn)輸過(guò)程中由于操作失誤或其他原因，致使這些危險(xiǎn)性物質(zhì)泄漏出來(lái)，由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會(huì)沿地表擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)。為了增強(qiáng)運(yùn)輸安全性，同內(nèi)外對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車輛實(shí)行監(jiān)管，主要針對(duì)車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。在圈外也有針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸?shù)幕贕IS平臺(tái)的危險(xiǎn)性評(píng)估研究，以此作為運(yùn)輸路徑的選擇依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)中集集團(tuán)應(yīng)用的基于MEMS傳感器的集裝箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地監(jiān)測(cè)了運(yùn)輸過(guò)程中氣體濃度和溫濕度、罐內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品的壓力和液位、罐體的空間姿態(tài)和加速度以及閥件腔腔體的開合狀態(tài)等信息。為了進(jìn)一步提高氣體濃度監(jiān)測(cè)的可靠性，設(shè)計(jì)采用雙傳感器相互監(jiān)測(cè)，以防因單傳感器失靈造成的誤報(bào)警，并且設(shè)計(jì)注重?cái)?shù)據(jù)處理融合精度，從而加強(qiáng)報(bào)警準(zhǔn)確性。因此設(shè)計(jì)首先確定了安裝位置，然后結(jié)合DSP和無(wú)線傳輸技術(shù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力以及傳輸?shù)募皶r(shí)性，對(duì)泄漏情況全面及時(shí)監(jiān)測(cè)。

2實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布概況

根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品常壓鐵路罐車罐體常見(jiàn)缺陷調(diào)查、常見(jiàn)泄漏事故調(diào)查以及有害氣體運(yùn)輸過(guò)程中泄漏擴(kuò)散的分析可得知：?；沸孤┒喟l(fā)原因主要有罐體焊縫撕裂、罐內(nèi)內(nèi)加強(qiáng)圈老化、罐體酸堿腐蝕造成的罐體漏洞等，并且在泄漏監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，泄漏擴(kuò)散多以大于環(huán)境空氣密度的重氣擴(kuò)散為主。由此可見(jiàn)，對(duì)于安裝點(diǎn)的位置的確定要既實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)目的，又能對(duì)易發(fā)生泄漏點(diǎn)如罐體焊縫、閥門進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并且需要考慮到氣體密度、風(fēng)向等因素。在列車行進(jìn)過(guò)程中，由于風(fēng)力作用，泄露氣體會(huì)隨風(fēng)向方向擴(kuò)散。又由于多數(shù)危險(xiǎn)氣體密度大于空氣，即所謂的重氣，擴(kuò)散時(shí)，會(huì)有向。

地表擴(kuò)散的趨勢(shì)，因此可見(jiàn)圖1安裝點(diǎn)位置都位于罐尾下風(fēng)處，并且在易泄漏點(diǎn)(罐體兩側(cè)焊縫和罐頂安全閥)下方，3個(gè)安裝點(diǎn)可以全面監(jiān)測(cè)整個(gè)罐體的泄漏情況。

圖1實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于DSP的危險(xiǎn)氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由從機(jī)與主機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。從機(jī)以TI公司的DSP芯片為核心，可完成對(duì)1個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)的兩路氣體濃度采集、一路環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集、采集后的數(shù)據(jù)處理、控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)、與主機(jī)通信等功能，自身構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所在安裝點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。主機(jī)由PIC微處理芯片、液晶顯示、聲光報(bào)警、通信模塊組成的二次儀表機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)與從機(jī)的數(shù)據(jù)通信、聲光報(bào)警、濃度顯示功能，以便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果采取有效措施，以防止可燃?xì)怏w的泄漏，杜絕事故隱患。

圖2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

4硬件結(jié)構(gòu)框圖

為快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出周圍氣體中酒精氣體的含量，并且在達(dá)到危險(xiǎn)濃度時(shí)發(fā)m聲光報(bào)警，系統(tǒng)由6個(gè)方面組成：

(1)可燃?xì)怏w傳感器，可以通過(guò)可燃?xì)怏w傳感器感知周圍空氣中可燃?xì)怏w的濃度值，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)使電路能夠識(shí)別;

(2)溫度傳感器，可燃?xì)怏w傳感器受其工作環(huán)境中的溫度的影響比較大，故需要測(cè)得周圍環(huán)境中的溫度，進(jìn)而對(duì)氣體傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償;

(3)供電電源保障系統(tǒng);

(4)計(jì)算顯示單元;

(5)聲光報(bào)警單元;

(6)友好的人機(jī)交互界面及通信接口。

泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

5系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理方法

為便于編程和管理，軟件用C語(yǔ)言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)，程序以循環(huán)方式工作，完成初始化及子程序調(diào)用。軟件分為3個(gè)子系統(tǒng)：

(1)?；愤\(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ);

(2)數(shù)據(jù)處理;

(3)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸通信。

3個(gè)子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，協(xié)同完成狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳到車載終端。

5.1數(shù)據(jù)采集

?；愤\(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理是系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的核心部分，主要完成各個(gè)傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、整合處理后作為數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)源。正常數(shù)據(jù)每間隔10min向車載終端上傳一次，報(bào)警數(shù)據(jù)每間隔3s向車載終端上傳一次并且啟動(dòng)聲光報(bào)警。

5.2數(shù)據(jù)處理

該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)傳感器，首先計(jì)算互相關(guān)值，當(dāng)相關(guān)值大于0.7時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)顯著相關(guān);小于0.7時(shí)，再采樣10次，連續(xù)小于0.7進(jìn)行傳感器故障報(bào)警，這樣可以起到互相監(jiān)督的作用，防止由于某一個(gè)傳感器故障引起系統(tǒng)失靈，根據(jù)表1的計(jì)算，為兩個(gè)傳感器在酒精濃度為1×104g/m下溫度變化范圍在15℃～l9℃的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳感器信號(hào)歸一化方法處理，由0～3.3V的測(cè)量范圍變?yōu)檩敵鼋橛赱0，1]之間)，數(shù)據(jù)互相關(guān)值為O.7058，經(jīng)證明顯著相關(guān)，可以用作下一步數(shù)據(jù)源。

表1兩個(gè)相同型號(hào)傳感器同一條件下測(cè)量值

設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參量主要是溫度、危險(xiǎn)氣體在空氣中的含量，由于氣體傳感器受到周圍環(huán)境中溫度變化的影響很顯著，故需要采用溫度補(bǔ)償，這是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)干擾輸出和傳感器輸m之間的數(shù)學(xué)關(guān)系已知時(shí)，則干擾可以在測(cè)量干擾變量的幅度之后，通過(guò)數(shù)字計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)采用這種補(bǔ)償方式，即擬合出氣傳感器與溫度變化而變化的曲線，列出相應(yīng)的方程式，在得到氣體傳感器、溫度傳感器信號(hào)的情況下，通過(guò)方程計(jì)算，計(jì)算受溫度影響的量值進(jìn)行補(bǔ)償。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的靈活性或?qū)挿秶臄M合功能。根據(jù)得出的準(zhǔn)確的溫度和濕度值帶入傳感器對(duì)于周圍溫度影響的特性曲線，得變化的傳感器數(shù)據(jù)，即電壓值，進(jìn)而得出由于周圍環(huán)境溫度變化對(duì)于造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

文中應(yīng)用最小二乘法做曲線擬合，最小二乘法可以用來(lái)處理一組數(shù)據(jù)，可以從一組測(cè)定的數(shù)據(jù)中尋求變量之間的依賴關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系稱為經(jīng)驗(yàn)公式。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得變量之間的n個(gè)數(shù)據(jù)(x1，y1)，(x2，y2)，……，(xn，yn)，在xoy平而上，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)P(xi，yi)(i=l，2，……n)組成“散點(diǎn)圖”，從圖中可以粗略看出這些點(diǎn)大致散落在某直線近旁，認(rèn)為x與Y之間近似為一線性函數(shù)。應(yīng)用最小二乘法計(jì)算出溫濕度曲線與傳感器之問(wèn)的函數(shù)關(guān)系。

表2連續(xù)溫度下氣體傳感器測(cè)量電壓值

將表2數(shù)據(jù)在Matlab中擬合后的曲線如圖4所示，得出曲線關(guān)系為y=0.020lx+0.2379.

經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)再利用多傳感器靜態(tài)時(shí)最優(yōu)權(quán)值分配原則做數(shù)據(jù)融合，即每個(gè)傳感器分配的權(quán)系數(shù)：

其中Ri為各傳感器精度的平方。設(shè)Zi(k)表示第i個(gè)傳感器第k次采樣的結(jié)果，則第次采樣時(shí)各傳感器測(cè)量的融合值：

此原則獲得的融合結(jié)果具有無(wú)偏性、有效性和一致性。

6結(jié)語(yǔ)

該危化品運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)?；沸孤┑娜嫣綔y(cè)及環(huán)境溫度等的檢測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、傳輸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，運(yùn)用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了維護(hù)危化品運(yùn)輸傘程探測(cè)、監(jiān)測(cè)與跟蹤，從而減少和避免事故的發(fā)生，避免和降低事故危害，提高了?；愤\(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃?。該系統(tǒng)對(duì)于危化品的陸路運(yùn)輸有很好的適用性，為工控現(xiàn)代化及現(xiàn)代化物流提供了一種安全的解決方案。