CN109520679B - 一种管廊气体泄漏检测及预测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管廊气体泄漏检测和预测技术领域，具体地说是一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于该系统由下位机数据采集与发送终端、上位机实时监测终端组成，所述下位机数据采集与发送终端由分布于化学工业区的各个气体泄漏检测节点组成，各个气体泄漏检测节点以硬件电路板为载体，包括单片机最小系统模块，所述的单片机最小系统模块分别与电源管理模块、八路气体浓度采集模块、温湿度数据采集模块、无线数据发送模块、预留串口和I/O口模块、转盘位置伺服控制系统模块相连接，上位机实时监测终端包括无线数据接收模块、数据实时显示界面和扩散模型预测模块，具有成本低、适应恶劣环境、检测多个漏气点、能够有效全方位覆盖整个化学工业区等优点。

Description

一种管廊气体泄漏检测及预测系统
技术领域
本发明涉及管廊气体泄漏检测和预测技术领域，具体地说是一种成本低、适应恶劣环境、检测多个漏气点、能够有效全方位覆盖整个化学工业区的管廊气体泄漏检测及预测系统。
背景技术
众所周知，在化学工业区中，管廊为物流传输一体化付诸实施的载体。管廊上面铺设的管道、电缆以及相关附属物种类繁多、空间关系复杂、对安全管理要求很高。随着化工产业的快速发展，化工行业出现区域集聚化的发展趋势，形成以化工园区为核心的产业发展。化学工业区占地较广，往往密布气体输送管道，管道内随时会传输易燃易爆气体，要对其管道周围气体泄漏情况进行检测和管理，才能防患于未然，管道内易燃、易爆、有毒等气体泄漏的远程检测尤为重要。
传统的检测设备具有一定的局限性，现在市面上的气体泄漏报警器种类繁多，但是大多电路较复杂、软件容易出错，主要用于工矿企业，体积大，成本高，不适合化学工业区大范围多节点检测的需求，用户难以接受，不利于在化学工业区中推广。现在需要的是设计能联网的、小型化的、低成本的数据采集终端来做到当紧急情况发生时，有效疏散人群，避免伤亡。化学工业区往往监控局域大，运输管道密布，可燃气体和有毒气体的泄漏都会对附近环境以及附近居民带来灾难性后果。由于管廊铺设空间较大，人为巡查难度较大，费时费力，检测点相对校多，所以引入无线监控网络进行远程数据采集，并且进行统一管理和报警处理，才能适应智能化信息管理的需求。传统的远程气体检测主要用于煤矿井下检测和某些气田集气站泄漏等检测，对于化学工业区管廊气体检测较少。近年来，随着自动化技术，计算机技术的不断发展，对于管廊气体泄漏检测技术的发展和提高有很大的帮助，因此针对某化学工业区公共管廊中需要检测的多种可能泄漏的气体，其中包括可燃气体、氯气、氨气、二氧化硫等气体，设计出一种基于无线网络的化学工业区气体检测终端。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种成本低、适应恶劣环境、检测多个漏气点、能够有效全方位覆盖整个化学工业区的管廊气体泄漏检测及预测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于该系统由下位机数据采集与发送终端、上位机实时监测终端组成，所述下位机数据采集与发送终端由分布于化学工业区的各个气体泄漏检测节点组成，各个气体泄漏检测节点以硬件电路板为载体：包括单片机最小系统模块(1)，所述的单片机最小系统模块(1)分别与电源管理模块(2)、八路气体浓度采集模块(3)、温湿度数据采集模块(4)、无线数据发送模块(5)、预留串口和I/O口模块(6)、转盘位置伺服控制系统模块(7)相连接；其中，所述电源管理模块(2)为所述单片机最小系统模块(1)、八路气体浓度采集模块(3)、温湿度数据采集模块(4)、无线数据发送模块(5)、预留串口和I/O口模块(6)、转盘位置伺服控制系统模块(7)供电；其中，所述的八路气体浓度采集模块(3)的作用是采集八路气体浓度，所述的温湿度数据采集模块(4)的作用是采集当前环境的温度与湿度，所述的无线数据发送模块(5)的作用是将采集到的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据发送给上位机，所述的预留串口和I/O口模块(6)的作用是预留一个串口来方便以后增加液晶串口屏或者串口通讯或其他功能；所述转盘位置伺服控制系统模块(7)的作用是带动八路气体浓度采集模块在一个平面中旋转，从而在不同的位置进行多次测量，减小气体浓度传感器之间相互遮挡的影响，所述的上位机实时监测终端包括无线数据接收模块(8)、数据实时显示界面(9)和扩散模型预测模块(10)，所述的无线数据接收模块(8)的作用是接收下位机数据采集与发送终端中无线数据发送模块(5)传送的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据，。
优选的是,所述电源管理模块(2)包括AMS1117电源管理芯片(U4)，由于由USB接口输入的用于底层电路板供电的输入电压为+5VCC,单片机最小系统所需电压与AD转换模块的基准电压均为+3.3VCC，采用电源管理芯片(U4)将+5VCC稳定到+3.3VCC；所述电源管理芯片(U4)的1引脚接地；所述电源管理芯片(U4)的3引脚接至第十二电容(C12)的正极与第十三电容(C13)的一端，所述第十二电容(C12)的另一端与第十电容(C10)的负极接地；所述第十二电容(C12)的正极与第十三电容(C13)的一端还接至第七二极管(D7)的负极，所述第七二极管(D7)的正极接至第一开关(S1)的一端，所述第一开关(S1)的另一端接至+5VCC，所述第一开关(S1)的另一端还接至第十电容(R10)的一端，所述第十电容(R10)的另一端接至第一发光二极管(D1)的正极，所述发光二极管(D1)的负极接地；所述第一发光二极管(D1)的作用是用于指示+5VCC是否正常工作；所述电源管理芯片(U4)的2、4引脚同时接至第十一电容(C11)的正极，所述第十一电容(C11)的负极接地；所述电源管理芯片(U4)的2引脚还接至第十四电容(C14)的一端，所述第十四电容(C14)的另一端接地；所述电源管理芯片(U2)的2引脚还接至第十一电阻(R11)的一端，所述第十一电阻(R11)的另一端接第二发光二极管(D2)的正极，所述第二发光二极管(D2)的负极接地；所述第二发光二极管(D2)的作用是用于指示转换后的3.3V电源是否正常工作。
优选的是，由于所述八路气体浓度采集模块(3)的八路电路一致，选择其中一路进行说明，所述的每路电路包括气体浓度传感器，所述气体浓度传感器的1引脚连接至+5VCC,所述气体浓度传感器芯片的2引脚接地，所述气体浓度传感器的4引脚接至第二电容(C2)的一端，所述第二电容(C2)的另一端接地；第二电容(C2)所述气体浓度传感器的4引脚还与第十二电阻(R12)的一端相连，所述第十二电阻(R12)的另一端接至第二十滑动变阻器(R20)的一端，所述第二十滑动变阻器的另一端接地；由于模拟接口的电压输出范围在0V-5V，单片机AD转换模块的基准电压为3.3V,所述第十二电阻(R12)、第二十滑动变阻器(R20)构成分压电路，使传感器模拟量在接入单片机前进行分压，确保单片机输入电压范围为0-3.3V；由于在实验模拟过程中，很难对有害气体泄漏的模拟，通过调节所述第二十滑动变阻器(R20)的阻值来模拟气体浓度的变化；所述第十二电阻(R12)与第二十滑动变阻器(R20)相接的点接至LM324集成运算放大芯片的同向输入端，所述的LM324集成运算放大芯片的反向输入端与其输出端相连，并接至控制芯片(U1)的引脚；为保证电路稳定，加入由所述LM324集成运算放大芯片构成的电压跟随器，对气体浓度传感器的输出电压与单片机AD转换模块的输入电压进行隔离。
优选的是，所述温湿度数据采集模块(4)包括DHT11温湿度传感器，所述的温湿度传感器的1引脚接至+3.3VCC，并与第七电阻(R7)的一端相连；所述第七电阻(R7)的一端接至第十电容(C10)的一端，所述第十电容(C10)的另一端接至所述温湿度传感器的第三引脚并接地；所述第七电阻(R7)的另一端接至所述温湿度传感器的2引脚，并与控制芯片(U1)的57引脚相连。
优选的是，所述无线数据发送模块(5)，包括AX5043无线串口模块中的E31系列(P16)，所述无线串口(P16)M0、M1引脚分别与所述控制芯片(U1)的95、96引脚连接，用于决定模块的四种工作方式；所述无线串口(P16)的RDX引脚与TXD引脚用于数据传输，其中所述RXD引脚通过第四发光二极管(D4)与第九电阻(R9)接至+3.3VCC，并与控制芯片(U1)的47引脚连接；所述无线串口(P16)的TXD引脚通过第三发光二极管(D3)与第八电阻(R9)接至+3.3VCC，并与控制芯片(U1)的48引脚连接；所述无线串口(P16)的AUX引脚用于指示模块的工作状态，与所述控制芯片(U1)的51引脚连接；其中所述第四发光二极管(D4)与第三发光二极管(D3)用于显示当前通信是否有数据传输：其中，当没有数据收发时，所述无线串口(P16)的TXD、RXD引脚为高电平，指示灯不亮；当有数据发送或接受时，根据波特率不同，会产生占空比不同的方波，通信指示灯亮，显示当前正在通信；所述无线串口(P16)的6引脚接至+3.3VCC，7引脚接地。
优选的是，所述预留串口和I/O口模块(6)包括预留控制芯片(U1)，所述控制芯片(U1)预留的引脚包括23、24、25、26、38、39、68、69引脚，其中68、69引脚用来方便以后增加液晶串口屏显示芯片(P15)或者串口通讯或其他功能；所述预留控制芯片(U1)的23、24引脚分别通过第一电阻(R1)和第二电阻(R2)接第五发光二极管(D5)与第六发光二极管(D6)的正极，所述第五发光二极管(D5)与第六发光二极管(D6)的负极接地，以方便增加指示灯或者报警灯，25、26、38、39引脚预留满足后续二次开发对I/O口的需求。
优选的是，所述单片机最小系统模块(1)包括型号为STM32F103VET6的控制芯片(U1)，所述的控制芯片(U1)的50、75、100、28、11，21，22，6引脚均接至+3.3VCC电压端，所述控制芯片(U1)的49、74、99、27、20、19、94引脚均接地，所述控制芯片(U1)的14引脚接第二电容(C2)的一端，所述第二电容(C2)的另一端接第二开关(S2)的一端，所述第二开关(S2)的另一端接第七电阻(R7)的一端，第七电阻(R7)的另一端接至+3.3VCC,所述第二电容(S2)的另一端还接地；所述控制芯片(U1)的68、69引脚分别与串口屏显示芯片(P15)的RDX1、TDX1引脚连接；所述控制芯片(U1)的35、36、15、16、17、18引脚分别与八路气体浓度传感器相连；所述控制芯片(U1)的95、96、47、48、51引脚分别与无线串口发送芯片(P16)的M0、M1、RXD、TXD、AUX引脚连接；所述控制芯片(U1)的12、13引脚分别连接至晶振(Y1)的两端，8、9引脚分别连接至晶振(Y2)的两端；所述晶振(Y1)的两端还分别通过第十五电容(C15)、第十六电容(C16)接地，所述晶振(Y2)的两端还分别通过第十七电容(C17)、第十八电容(C18)接地；所述控制芯片(U1)的76、72引脚分别与程序下载芯片(P5)的2、3引脚连接；所述控制芯片(U4)的57引脚与所述温湿度传感器的2引脚连接。
优选的是，所述转盘位置伺服控制系统模块(7)，其特征在于：将固定八路传感器的转盘旋转，使得传感器在一个平面内多次测量，减小传感器之间相互遮挡带来的影响；其中51单片机产生PWM波控制信号，经过H桥驱动电路驱动直流电机旋转，再通过减速装置带动转盘低速旋转；同时光电码盘将转盘角度信息反馈回单片机，形成闭环，51单片机用PID算法实现对转盘角度的伺服控制；其中八路传感器每次检测时，都会将转盘的角度记录并上传给上位机，便于确定传感器的实际位置及预测扩散模型。
其中，所述上位机的数据采集及发送程序采用分模块设计原则，其特征在于：包括AD数据采集模块程序、串口数据发送模块程序、主函数模块程序、定时器模块程序、I/O口配置模块程序、DHT11温湿度数据采集模块程序，具体的程序可根据需要编写
优选的是，所述AD数据采集模块程序，其特征在于：由于系统需要不间断地采集气体浓度数据，选择采用DMA传输方式，由DMA把ADC外设转换的数据传输到内存中，再进行数据的运算处理，以提高数据传输的效率。
优选的是，所述串口数据发送模块程序，其特征在于：将接收到的八路气体浓度与温湿度数据打包成数据组对上位机进行传输；其中无线串口每次发送的数据长度为40位的16进制数即160位的2进制数，其中一路气体浓度传感器为4位16进制数及16位2进制数，八路气体浓度传感器数据共占32位16进制数即128位2进制数，温湿度分别占4位16进制数即16位2进制数；每次发送的数据为8位，即将一路气体浓度的16位2进制数分为高8位与低8位，一位停止位，无奇偶校验位；为了验证接受的数据是否正确，在每次数据发送前设置数据包头为FFFF；串口配置为全双工模式，波特率设置为9600，无硬件流。
其中，所述上位机采用QT设计串口数据实时显示界面。
优选的是，所述气体泄漏扩散模型为高斯模型，其特征在于：稳定环境下，以风向为x轴正方向，污染物浓度在风向垂直的平面(oxy面)内呈二维正态分布，将传感器测量到最大浓度的位置作为虚拟源点进行预测；其中高斯烟羽模型的具体浓度分布计算公式为：
Figure BDA0001873917130000051
其中，C(x,y,z)为泄漏气体在(x,y,z)处的浓度，Qm为泄漏源的泄漏速率，σy,σz为泄漏气体在y、z方向上的扩散标准差，u为平均风速，H为泄漏源的有效高度(排放高度与抬升高度之和)。本发明实施例设大气稳定度为D，风速为5m/s，城市条件下，并设气体源强即释放速率为30mg/s，气体源的有效高度为2m，使用MATLAB仿真，得到在z＝0平面内基于高斯烟羽模型的气体泄漏扩散模型如附图8。根据国家相关标准确定有毒有害气体的浓度阈值，根据阈值来判断人群疏散范围。
本发明采用该方案的有益效果：本发明所涉及的内容针对化学工业区管廊分布的特点研究了管廊气体泄漏检测及预测系统，其中基于无线网络设计的气体数据采集终端可以在检测局域内组成无线检测网络，能够快速有效地通过无线网络监控中心传送实时数据，监测中心对采集到的数据进行处理后建立气体浓度实时显示界面，直观有效地显示气体浓度变化，进行及时的报警，减少损失。此检测系统成本低，小型化、可适应比较恶劣的环境，并且可以检测多个气体泄漏点，能够有效全方位覆盖整个化学工业区，为化学工业区的管廊气体采集和监控提供了较为可行的方案，具有成本低、适应恶劣环境、检测多个漏气点、能够有效全方位覆盖整个化学工业区等优点。
附图说明
图1示出了所涉及一种输气管道泄漏位置检测与预测系统的下位机原理框图。
图2示出了图1中电源管理模块(2)的放大的电路原理图。
图3示出了图1中八路气体浓度传感器(3)其中一路的放大的电路原理图。
图4示出了图1中温湿度传感器(4)的放大的电路原理图。
图5示出了图1中无线串口(5)的放大的电路原理图。
图6示出了图1中预留串口和I/O口模块(6)的放大电路原理图。
图7示出了图1中转盘位置伺服控制系统模块(7)的电路原理图。
图8示出了图1中STM32F103VET6最小系统(1)的放大的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，如图1所示，该系统由下位机数据采集与发送终端(以下简称下位机)、上位机实时监测终端(以下简称上位机)组成，所述下位机数据采集与发送终端由分布于化学工业区的各个气体泄漏检测节点组成，各个气体泄漏检测节点以硬件电路板为载体，用于收集八路气体的浓度与当前环境的温湿度并将数据发送给上位机，该下位机包括单片机最小系统模块(1)，所述的单片机最小系统模块(1)分别与电源管理模块(2)、八路气体浓度采集模块(3)、温湿度数据采集模块(4)、无线数据发送模块(5)相连接、预留串口和I/O口模块(6)、转盘位置伺服控制系统模块(7)；其中，其中，所述电源管理模块(2)为所述单片机最小系统模块(1)、八路气体浓度采集模块(3)、温湿度数据采集模块(4)、无线数据发送模块(5)、预留I/O口模块(6)、转盘位置伺服控制系统模块(7)供电；其中，所述的八路气体浓度采集模块(3)的作用是采集八路气体浓度，所述的温湿度数据采集模块(4)的作用是采集当前环境的温度与湿度，所述的无线数据发送模块(5)的作用是将采集到的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据发送给上位机，所述的预留I/O口模块(6)的作用是预留一个串口来方便以后增加液晶串口屏或者串口通讯或其他功能；所述转盘位置伺服控制系统模块(7)的作用是带动八路气体浓度采集模块在一个平面中旋转，从而在不同的位置进行多次测量，减小气体浓度传感器之间相互遮挡的影响，所述的上位机实时监测终端包括无线数据接收模块(8)、数据实时显示界面(9)和扩散模型预测模块(10)，所述的无线数据接收模块(8)的作用是接收下位机数据采集与发送终端中无线数据发送模块(5)传送的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据。
如图2所示，所述的电源管理模块(2)用于将USB接口输入的+5VCC电压转换为+3.3VCC,为单片机最小系统与AD转换模块供电。所述电源管理模块(2)的电源管理芯片(U4)的1引脚接地；所述电源管理芯片(U4)的3引脚接至第十二电容(C12)的正极与第十三电容(C13)的一端，所述第十二电容(C12)的另一端与第十电容(C10)的负极接地；所述第十二电容(C12)的正极与第十三电容(C13)的一端还接至第七二极管(D7)的负极，所述第七二极管(D7)的正极接至第一开关(S1)的一端，所述第一开关(S1)的另一端接至+5VCC，所述第一开关(S1)的另一端还接至第十电容(R10)的一端，所述第十电容(R10)的另一端接至第一发光二极管(D1)的正极，所述发光二极管(D1)的负极接地；所述第一发光二极管(D1)的作用是用于指示+5VCC是否正常工作；所述电源管理芯片(U4)的2、4引脚同时接至第十一电容(C11)的正极，所述第十一电容(C11)的负极接地；所述电源管理芯片(U4)的2引脚还接至第十四电容(C14)的一端，所述第十四电容(C14)的另一端接地；所述电源管理芯片(U4)的2引脚还接至第十一电阻(R11)的一端，所述第十一电阻(R11)的另一端接第二发光二极管(D2)的正极，所述第二发光二极管(D2)的负极接地；所述第二发光二极管(D2)的作用是用于指示转换后的3.3V电源是否正常工作。
如图3所示，八路气体浓度采集模块(3)用于检测并采集八路气体浓度，由于八路电路一致，选择其中一路进行说明：包括气体浓度传感器(P4)，所述气体浓度传感器(P4)的1引脚连接至+5VCC,所述气体浓度传感器(P4)的2引脚接地，所述气体浓度传感器(P2)的4引脚接至第二电容(C2)的一端，所述第二电容(C2)的另一端接地；第二电容(C2)所述气体浓度传感器(P2)的4引脚还与第十二电阻(R12)的一端相连，所述第十二电阻(R12)的另一端接至第二十滑动变阻器(R20)的一端，所述第二十滑动变阻器(R20)的另一端接地；由于模拟接口的电压输出范围在0V-5V，单片机AD转换模块的基准电压为3.3V,所述第十二电阻(R12)、第十二电阻(R12)、第二十滑动变阻器(R20)构成分压电路，使传感器模拟量在接入单片机前进行分压，确保单片机输入电压范围为0-3.3V；由于在实验模拟过程中，很难对有害气体泄漏的模拟，通过调节所述第二十滑动变阻器(R20)的阻值来模拟气体浓度的变化；所述第十二电阻(R12)与第二十滑动变阻器(R20)相接的点接至LM324集成运算放大芯片的同向输入端，所述的LM324集成运算放大芯片的反向输入端与其输出端相连，并接至控制芯片(U1)的35引脚；为保证电路稳定，加入由所述LM324集成运算放大芯片构成的电压跟随器，对气体浓度传感器的输出电压与单片机AD转换模块的输入电压进行隔离。
如图4所示，温湿度数据采集模块(4)用于采集当前环境的温度与湿度，包括DHT11温湿度传感器，所述的温湿度传感器的1引脚接至+3.3VCC，并与第七电阻(R7)的一端相连；所述第七电阻(R7)的一端接至第十电容(C10)的一端，所述第十电容(C10)的另一端接至所述温湿度传感器的第三引脚并接地；所述第七电阻(R7)的另一端接至所述温湿度传感器的2引脚，并与控制芯片(U1)的57引脚相连。
如图5所示，无线数据发送模块(5)用于将采集到的八路气体浓度数据和温湿度数据发送给上位机，包括AX5043无线串口模块中的E31系列(P16)，所述无线串口(P16)M0、M1引脚分别与所述控制芯片(U1)的95、96引脚连接，用于决定模块的四种工作方式；所述无线串口(P16)的RDX引脚与TXD引脚用于数据传输，其中所述RXD引脚通过第四发光二极管(D4)与第九电阻(R9)接至+3.3VCC，并与控制芯片(U1)的47引脚连接；所述无线串口(P16)的TXD引脚通过第三发光二极管(D3)与第八电阻(R9)接至+3.3VCC，并与控制芯片(U1)的48引脚连接；所述无线串口(P16)的AUX引脚用于指示模块的工作状态，与所述控制芯片(U1)的51引脚连接；其中所述第四发光二极管(D4)与第三发光二极管(D3)用于显示当前通信是否有数据传输：其中，当没有数据收发时，所述无线串口(P16)的TXD、RXD引脚为高电平，指示灯不亮；当有数据发送或接受时，根据波特率不同，会产生占空比不同的方波，通信指示灯亮，显示当前正在通信；所述无线串口(P16)的6引脚接至+3.3VCC，7引脚接地。
如图6所示，预留串口和I/O口模块(6)，其特征在于所述预留控制芯片(U1)的68、69引脚来方便以后增加液晶串口屏显示芯片(P15)或者串口通讯等其他功能；预留所述控制芯片(U1)的23、24引脚分别通过第一电阻(R1)和第二电阻(R2)接第五发光二极管(D5)与第六发光二极管(D6)的正极，所述第五发光二极管(D5)与第六发光二极管(D6)的负极接地，以方便增加指示灯或者报警灯，预留所述控制芯片(U1)的25、26、38、39引脚满足后续二次开发对I/O口的需求。
如图7所示转盘位置伺服控制系统模块(7)用于将转盘伺服控制到一定的角度，包括51单片机控制器、驱动电路、直流电机、光电码盘。最小系统(1)接收上位机发来的调整角度指令，并传递给51单片机，51单片机产生PWM波通过驱动电路调整直流电机的转速，直流电机主轴经多级齿轮减速装置减速后，带动转盘轴低速旋转，同时光电码盘实时监测转盘的实际位置，并反馈回51单片机控制器，从而形成闭环，51控制器利用PID控制算法将转盘的角度伺服控制在要求的位置。
如图8所示单片机最小系统模块(8)作为下位机主控单元，包括型号为STM32F103VET6的控制芯片(U1)，所述的控制芯片(U1)的50、75、100、28、11，21，22，6引脚均接至+3.3VCC电压端，所述控制芯片(U1)的49、74、99、27、20、19、94引脚均接地，所述控制芯片(U1)的14引脚接第二电容(C2)的一端，所述第二电容(C2)的另一端接第二开关(S2)的一端，所述第二开关(S2)的另一端接第七电阻(R7)的一端，第七电阻(R7)的另一端接至+3.3VCC,所述第二电容(S2)的另一端还接地；所述控制芯片(U1)的68、69引脚分别与串口屏显示芯片(P15)的RDX1、TDX1引脚连接；所述控制芯片(U1)的35、36、15、16、17、18引脚分别与八路气体浓度传感器相连；所述控制芯片(U1)的95、96、47、48、51引脚分别与无线串口发送芯片(P16)的M0、M1、RXD、TXD、AUX引脚连接；所述控制芯片(U1)的12、13引脚分别连接至晶振(Y1)的两端，8、9引脚分别连接至晶振(Y2)的两端；所述晶振(Y1)的两端还分别通过第十五电容(C15)、第十六电容(C16)接地，所述晶振(Y2)的两端还分别通过第十七电容(C17)、第十八电容(C18)接地；所述控制芯片(U1)的76、72引脚分别与程序下载芯片(P5)的2、3引脚连接；所述控制芯片(U4)的57引脚与所述温湿度传感器的2引脚连接。
在具体使用过程中，由八路气体浓度采集模块(3)采集节点处的八路气体浓度，由温湿度数据采集模块(4)采集当前环境的温度与湿度，无线数据发送模块(5)将采集到的八路气体浓度与温湿度发送给上位机，在这个过程中上位机可以发送指令调整转盘角度和传感器的朝向。所述上位机对采集到的气体浓度数据与温湿度数据当采集到的气体浓度进行处理并采用QT设计数据实时显示界面，具体的程序可根据需要编写；当采集到的气体浓度超过上位机所设置的气体浓度阈值时会触发蜂鸣报警装置，同时利用高斯烟羽模型提前预测气体扩散的趋势和范围，辅助工作人员及时扩散危险范围内的人群。
本发明所涉及的内容针对化学工业区管廊分布的特点研究了管廊气体泄漏检测及预测系统，其中基于无线网络设计的气体数据采集终端可以在检测局域内组成无线检测网络，能够快速有效地通过无线网络监控中心传送实时数据。监测中心对采集到的数据进行处理后建立气体浓度实时显示界面，直观有效地显示气体浓度变化，进行及时的报警，减少损失。此检测系统成本低，小型化、可适应比较恶劣的环境，并且可以检测多个气体泄漏点，能够有效全方位覆盖整个化学工业区，为化学工业区的管廊气体采集和监控提供了较为可行的方案。

Claims (8)

1.一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于该系统由下位机数据采集与发送终端、上位机实时监测终端组成，所述下位机数据采集与发送终端由分布于化学工业区的各个气体泄漏检测节点组成，各个气体泄漏检测节点以硬件电路板为载体，包括单片机最小系统模块（1），所述的单片机最小系统模块（1）分别与电源管理模块（2）、八路气体浓度采集模块（3）、温湿度数据采集模块（4）、无线数据发送模块（5）、预留串口和I/O口模块（6）、转盘位置伺服控制系统模块（7）相连接；其中，所述电源管理模块（2）为所述单片机最小系统模块（1）、八路气体浓度采集模块（3）、温湿度数据采集模块（4）、无线数据发送模块（5）、预留串口和I/O口模块（6）、转盘位置伺服控制系统模块（7）供电；其中，所述的八路气体浓度采集模块（3）的作用是采集八路气体浓度，所述的温湿度数据采集模块（4）的作用是采集当前环境的温度与湿度，所述的无线数据发送模块（5）的作用是将采集到的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据发送给上位机，所述的预留串口和I/O口模块（6）的作用是预留一个串口来方便以后增加液晶串口屏或者串口通讯或其他功能；所述转盘位置伺服控制系统模块（7）的作用是带动八路气体浓度采集模块在一个平面中旋转，从而在不同的位置进行多次测量，减小气体浓度传感器之间相互遮挡的影响，所述的上位机实时监测终端包括无线数据接收模块（8）、数据实时显示界面（9）和扩散模型预测模块（10），所述的无线数据接收模块（8）的作用是接收下位机数据采集与发送终端中无线数据发送模块（5）传送的八路气体浓度与当前环境的温湿度数据，所述的扩散模型预测模块（10）包括AD数据采集模块程序、串口数据发送模块程序、主函数模块程序、定时器模块程序、I/O口配置模块程序、DHT11温湿度数据采集模块程序，所述电源管理模块（2）包括AMS1117电源管理芯片（U4），由于由USB接口输入的用于底层电路板供电的输入电压为+5VCC,单片机最小系统所需电压与AD转换模块的基准电压均为+3.3VCC，采用电源管理芯片（U4）将+5VCC稳定到+3.3VCC，所述电源管理芯片（U4）的1引脚接地；所述电源管理芯片（U4）的3引脚接至第十二电容（C12）的正极与第十三电容（C13）的一端，所述第十二电容（C12）的另一端与第十电容（C10）的负极接地；所述第十二电容（C12）的正极与第十三电容（C13）的一端还接至第七二极管（D7）的负极，所述第七二极管（D7）的正极接至第一开关（S1）的一端，所述第一开关(S1)的另一端接至+5VCC，所述第一开关（S1）的另一端还接至第十电容（R10）的一端，所述第十电容（R10）的另一端接至第一发光二极管（D1）的正极，所述发光二极管（D1）的负极接地；所述第一发光二极管（D1）的作用是用于指示+5VCC是否正常工作；所述电源管理芯片（U4）的2、4引脚同时接至第十一电容（C11）的正极，所述第十一电容（C11）的负极接地；所述电源管理芯片（U4）的2引脚还接至第十四电容（C14）的一端，所述第十四电容（C14）的另一端接地；所述电源管理芯片（U2）的2引脚还接至第十一电阻（R11）的一端，所述第十一电阻（R11）的另一端接第二发光二极管（D2）的正极，所述第二发光二极管（D2）的负极接地；所述第二发光二极管（D2）的作用是用于指示转换后的3.3V电源是否正常工作，由于所述八路气体浓度采集模块（3）的八路电路一致，选择其中一路进行说明，每路电路包括气体浓度传感器，所述气体浓度传感器的1引脚连接至+5VCC, 所述气体浓度传感器芯片的2引脚接地，所述气体浓度传感器的4引脚接至第二电容（C2）的一端，所述第二电容（C2）的另一端接地；第二电容（C2）所述气体浓度传感器的4引脚还与第十二电阻（R12）的一端相连，所述第十二电阻（R12）的另一端接至第二十滑动变阻器（R20）的一端，所述第二十滑动变阻器的另一端接地；由于模拟接口的电压输出范围在0V-5V，单片机AD转换模块的基准电压为3.3V, 所述第十二电阻（R12）、第二十滑动变阻器（R20）构成分压电路，使传感器模拟量在接入单片机前进行分压，确保单片机输入电压范围为0-3.3V，由于在实验模拟过程中，很难对有害气体泄漏的模拟，通过调节所述第二十滑动变阻器（R20）的阻值来模拟气体浓度的变化；所述第十二电阻（R12）与第二十滑动变阻器（R20）相接的点接至LM324集成运算放大芯片的同向输入端，所述的LM324集成运算放大芯片的反向输入端与其输出端相连，并接至控制芯片（U1）的引脚；为保证电路稳定，加入由所述LM324集成运算放大芯片构成的电压跟随器，对气体浓度传感器的输出电压与单片机AD转换模块的输入电压进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述温湿度数据采集模块（4）包括DHT11温湿度传感器，所述的温湿度传感器的1引脚接至+3.3VCC，并与第七电阻（R7）的一端相连；所述第七电阻（R7）的一端接至第十电容（C10）的一端，所述第十电容(C10)的另一端接至所述温湿度传感器的第三引脚并接地；所述第七电阻（R7）的另一端接至所述温湿度传感器的2引脚，并与控制芯片（U1）的57引脚相连。
3.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述无线数据发送模块（5），包括AX5043无线串口模块中的E31系列（P16）， 所述无线串口（P16）M0、M1引脚分别与所述控制芯片（U1）的95、96引脚连接，用于决定模块的四种工作方式；所述无线串口（P16）的RXD引脚与TXD引脚用于数据传输，其中所述RXD引脚通过第四发光二极管（D4）与第九电阻（R9）接至+3.3VCC，并与控制芯片（U1）的47引脚连接；所述无线串口（P16）的TXD引脚通过第三发光二极管（D3）与第八电阻（R9）接至+3.3VCC，并与控制芯片（U1）的48引脚连接；所述无线串口（P16）的AUX 引脚用于指示模块的工作状态，与所述控制芯片（U1）的51引脚连接；其中所述第四发光二极管（D4）与第三发光二极管（D3）用于显示当前通信是否有数据传输：其中，当没有数据收发时，所述无线串口（P16）的 TXD、RXD 引脚为高电平，指示灯不亮;当有数据发送或接受时，根据波特率不同，会产生占空比不同的方波，通信指示灯亮，显示当前正在通信；所述无线串口（P16）的6引脚接至+3.3VCC，7引脚接地。
4.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述预留串口和I/O口模块（6）包括预留控制芯片（U1），所述预留控制芯片（U1）的68、69引脚来方便以后增加液晶串口屏显示芯片（P15）或者串口通讯或其他功能；所述预留控制芯片（U1）的23、24、25、26、38、39引脚作为预留I/O口使用，其中23、24引脚分别通过第一电阻（R1）和第二电阻（R2）接第五发光二极管（D5）与第六发光二极管（D6）的正极，所述第五发光二极管（D5）与第六发光二极管（D6）的负极接地，以方便增加指示灯或者报警灯，25、26、38、39引脚预留满足后续二次开发对I/O口的需求。
5.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述单片机最小系统模块（1）包括型号为STM32F103VET6的控制芯片（U1），所述的控制芯片（U1）的50、75、100、28、11，21，22，6引脚均接至+3.3VCC电压端，所述控制芯片（U1）的49、74、99、27、20、19、94引脚均接地，所述控制芯片(U1)的14引脚接第二电容（C2）的一端，所述第二电容（C2）的另一端接第二开关（S2）的一端，所述第二开关（S2）的另一端接第七电阻（R7）的一端，第七电阻（R7）的另一端接至+3.3VCC,所述第二电容（S2）的另一端还接地；所述控制芯片（U1）的68、69引脚分别与串口屏显示芯片（P15）的RDX1、TDX1引脚连接；所述控制芯片（U1）的35、36、15、16、17、18引脚分别与八路气体浓度传感器相连；所述控制芯片（U1）的95、96、47、48、51引脚分别与无线串口发送芯片（P16）的M0、M1、RXD、TXD、AUX引脚连接；所述控制芯片（U1）的12、13引脚分别连接至晶振（Y1）的两端，8、9引脚分别连接至晶振（Y2）的两端；所述晶振（Y1）的两端还分别通过第十五电容（C15）、第十六电容（C16）接地，所述晶振（Y2）的两端还分别通过第十七电容（C17）、第十八电容（C18）接地；所述控制芯片（U1）的76、72引脚分别与程序下载芯片（P5）的2、3引脚连接；所述控制芯片（U4）的57引脚与所述温湿度传感器的2引脚连接。
6.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于所述转盘位置伺服控制系统模块（7）将固定八路传感器的转盘旋转，使得传感器在一个平面内多次测量，减小传感器之间相互遮挡带来的影响；其中51单片机产生PWM波控制信号，经过H桥驱动电路驱动直流电机旋转，再通过减速装置带动转盘低速旋转；同时光电码盘将转盘角度信息反馈回单片机，形成闭环，51单片机用PID算法实现对转盘角度的伺服控制；其中八路传感器每次检测时，都会将转盘的角度记录并上传给上位机，便于确定传感器的实际位置及预测扩散模型。
7.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述串口数据发送模块程序是将接收到的八路气体浓度与温湿度数据打包成数据组对上位机进行传输；其中无线串口每次发送的数据长度为40位的16进制数即160位的2进制数，其中一路气体浓度传感器为4位16进制数及16位2进制数，八路气体浓度传感器数据共占32位16进制数即128位2进制数，温湿度分别占4位16进制数即16位2进制数；每次发送的数据为8位，即将一路气体浓度的16位2进制数分为高8位与低8位，一位停止位，无奇偶校验位；为了验证接受的数据是否正确，在每次数据发送前设置数据包头为 FFFF；串口配置为全双工模式，波特率设置为 9600，无硬件流，其中，所述上位机采用QT设计串口数据实时显示界面。
8.根据权利要求1所述的一种管廊气体泄漏检测及预测系统，其特征在于，所述气体泄漏扩散模型为高斯模型，稳定环境下，以风向为x轴正方向，污染物浓度在风向垂直的平面（oxy面）内呈二维正态分布，将传感器测量到最大浓度的位置作为虚拟源点进行预测；其中高斯烟羽模型的具体浓度分布计算公式为：
Figure 56240DEST_PATH_IMAGE001
其中，C(x ,y ,z)为泄漏气体在(x ,y ,z)处的浓度，Qm为泄漏源的泄漏速率，σy ,σz为泄漏气体在y、z方向上的扩散标准差，u为平均风速，H为泄漏源的有效高度，即排放高度与抬升高度之和。
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