基于GPRS和RS-485组网方式的气体监控系统

基于GPRS和RS-485组网方式的气体监控系统

孙刚1陈爱1陈超2

（1.山东天泉电气技术有限公司山东济南250010；2.新泰市宫里镇初级中学山东泰安271214）

摘要：燃气行业为预防燃气泄漏会针对性的安装多个探测器，位置分散、不易形成一个统一的管理，且在实际环境使用中发生泄漏不能及时定位发现问题，针对此现象设计了一种以单片机STC15W4K32S4为核心处理器，利用RS-485以及GPRS为依托的组网方式构成监控网络，并以PHP构建的上位机为网络监控平台，实现对底层探测器4-20mA信号的采集和处理的气体监控系统。

关键词：RS-485；GPRS；单片机STC15W4K32S4；气体监控

1气体监控系统的构成及工作原理

该系统是在传统燃气探测器的基础上进行的拓展创新，主要由三部分构成：第一部分依旧采用传统的燃气探测器来实现，用来采集管道、设备等地的燃气浓度；第二部分则是以STC15W4K32S4为核心的信号获取以及GPRS传输的信号转发器，该部分主要涵盖了带SIM卡的GSM无线通信模块、电源模块、Si4432无线传输模块（备用）、声光报警模块以及继电器控阀模块；第三部分则为上位机，用来存储分析上传数据，同时便于工作人员统筹管理。每个信号转发器可同时获取多路探测器浓度值，需根据现场探头数量决定，以下均采用8路ADC为例，该系统的总体结构框图如图1所示。

2基于RS-485和GPRS方式下的组网

目前气体探测器有独立式和联网式，其主要功能是当气体泄漏超标时，能够现场声光报警，联网式的产品还可以通过有线的RS485通信方式触发远程联网报警，但是越来越多的报警器致使线路复杂且成本高。该系统则是将有线和无线结合，通过现场RS-485总线快速获取多个探测器数值，再通过GPRS模块无线传输到远端服务器，每个探测器对应一路ADC，不同的信号转发器通过自定义的协议地址数据位来区分。

2.1RS-485总线

传统探测器的数据一般都汇总在控制室的各个控制柜里，该系统信号转发器就毗邻控制柜，进行近距离的传输，极大限度的减少了外界干扰因素，提高传输的可靠性。通过RS-485总线进行数据交互，采用平衡发送和差分接收方式构成分布式系统。为保证无误码数字高速传输，设计中采用max13485和iso7221数字隔离器来保证传输准确性。

2.2GPRS无线传输

系统中采用的GPRS模块是基于TCP/IP协议的一种无线通信模块，只要上位机可以入网，远端现场数据就可以上传，极大程度解决了各地现场监控跨区域、布局分散、难以统一监管的局面。同时GPRS的传输速率可提升到56~114kbit/s，理论峰值达171kbit/s，无需繁琐的现场布线基础上就建立了快捷、标准的传输平台，且节约了长距离布线成本。

2.3通信协议解析

考虑到很多智能仪表都采用MODBUSRTU协议，为了设备之间更好地通信以及可移植性，采用了MODBUSRTU协议。在系统通信协议上传格式中，数据区包括以下几部分：信号转发器地址（001~999）、终端地址（001~255）、故障报警（0：无故障1：天然气报警2：终端故障3：报警及故障）、信号强度（三位数）以及浓度值（四位数），校验码采用的CRC校验，保证校准的正确性。

3物联监控系统硬件设计

3.1单片机STC15W4K32S4

本系统采用STC旗下的15系列单片机作为核心处理器，具有宽电压、高速、高可靠、功耗低以及抗干扰强等特点，指令代码完全兼容传统的8051，且速度快8-12倍。内部集成了高精度R/C时钟，精度达到0.3%，省去了外围电路晶振和复位电路的设计，8路高速10位AD转换，速度可达30万次/秒，内置4K大容量SRAM，以及4组独立高速异步串行通信端口UART和1组高速同步串行通信端口SPI，其中一组UART1用于与GPRS模块数据通信，一组UART2用于与探头控制柜进行通信传输，SPI则用于连接备用SI4432无线模块，进行近距离数据传输。

3.2硬件电路设计

在电源供电的条件下，MCU首先要采集完整无误的终端电流信号，为了保障信号在传输过程中受其他因素的影响，需要在信号进入分站就进行RC电路滤波。

滤波后在经过一定的处理进入MCU，单片机通过串行接口与GPRS通信模块GPRS232-7S2的收发数据引脚相连进行通信，为保证GPRS模块稳定可靠的工作，采用12V电压供电，同时外接470UF旁路电容。

4系统软件设计

本系统中，单片机采用轮询和中断结合的方式接收数据，当系统上电初始化检查无误后，系统会主动上传一次8路采集信息，证明功能运行正常，综合考虑经济性、稳定性以及可靠性，之后变为一小时轮询一遍，当有设备发生气体泄漏，系统会中断当前轮询转而处理报警信息，在第一时间做出相应对措并短信通知相关负责人进行及时维修。实现将原本孤立、不受控的气体检测报警器通过无线通信的方式远传到运行部门的计算机端和手机端，使气体检测报警器受到24小时专业化的“有人”值守监护。

5测试结果

实验过程中，为了更加明确该系统的稳定性，将分站接8路探测器数据，同时采用人工手段使气体浓度超标让报警器报警，模拟出正常、报警等现象。结果表明：当报警器有报警信号输出给系统分站后，系统在0.1S内就将报警信息上传到远端监控平台，同时给工作人员发送短信通知，及时检修，及时有效的完成了智能监控任务。

6总结

该系统的运用，在不影响气体检测报警器的特征下，将原本孤立、不受控的气体检测报警器通过GPRS和RS485布网通信的方式远传到运行部门的计算机端和手机端，使气体检测报警器受到24小时专业化的“有人”值守监护，建立了快捷、标准的传输平台，传输距离长、性能稳定，提供了安全、先进、可靠的传输能力。分站采用标准RS485通信，将现场探头采集的气体参数实时上传给分站；分站再往上通过GPRS进行数据传输，连接到远程服务器控制平台，实现信息共享和消防平台的一体化管理。

参考文献：

[1]陈赓良.论天然气组成分析的溯源性[J].石油与天然气化工，2014，（03）35-41

[2]张学洪.天然气泄漏检测方法研究进展[J].内蒙古石油化工，2012，（17）77-82