摘　要：提出一種基于GSM短消息的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，應用于沒有供電及有線通信條件下的氣長輸管道野外閥門井內(nèi)管道壓力和燃氣泄漏情況的遠程監(jiān)測。在確定系統(tǒng)總體設計的基礎乏計了以GSM模塊、單片機為核心的硬件系統(tǒng)和以數(shù)據(jù)采集、發(fā)送及處理為主的軟件系統(tǒng)，充慮了野外供電和現(xiàn)場電氣防爆問題。

關鍵詞：輸氣管道；  閥門井；  GSM短消；  遠程監(jiān)測

Remote Monitoring System for Natural Gas Valve Pits Based on GSM Short Message

Abstract：A remote monitoring system based on GSM short message is presented，which is used for remote monitoring the pipeline pressure and gas leakage in field valve pits of natural gas transmission pipeline under the condition of no power supply and wired communieation．Based on determining the overall design of the system，a hardware system that takes GSM module and MCU for core and a software system composed mainly of data acquisition，transmission and processing are designed with full consideration of the field power supply and site electrical explosion proofing．

Keywords：gas transmission pipeline；valve pit；GSM short message；remote monitoring

1　概述

GSM網(wǎng)絡(2G手機網(wǎng)絡)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信體制中最成熟完善、覆蓋面最廣、功能最強、用戶最多的移動通信網(wǎng)絡，GSM短消息(也稱短信)業(yè)務不需要建立撥號連接，只需把待發(fā)的消息加上目的地址發(fā)送至短消息中心，再由短消息中心轉(zhuǎn)發(fā)到最終目標。GSM短消息的信號傳播距離遠、可靠性高、覆蓋面積廣，還可以節(jié)省建設專用通信網(wǎng)絡的巨額投資，且運營期間用戶無需維護網(wǎng)絡，運行費用低廉^[1]。

本文把GSM網(wǎng)絡引入到遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，提出基于GSM短消息的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，闡述一個基于GSM的天然氣長輸管道野外閥門井遠程壓力及燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計。該設計已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到應用，它可以實現(xiàn)對野外閥門井的壓力及燃氣泄漏的監(jiān)測，并有對異常壓力及燃氣泄漏進行報警的功能，使監(jiān)控人員能夠方便地獲知野外閥門井的壓力及燃氣泄漏濃度值，提高長輸管道運行的安全性和運行維護的效率。

2　系統(tǒng)的總體設計

2．1　系統(tǒng)總體框架及工作原理

該系統(tǒng)主要由l2部分組成，包括手機、本地GSM模塊、調(diào)度中心GSM模塊、單片機、壓力傳感器、可燃氣體傳感器、本地報警電路、本地報警顯示屏、調(diào)度中心的數(shù)據(jù)接收軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、組態(tài)軟件、顯示屏。系統(tǒng)總體框架見圖l。

系統(tǒng)工作原理為：單片機定時采集壓力及可燃氣體傳感器的數(shù)據(jù)，并與設定的報警值進行比對，如果檢測數(shù)據(jù)沒有進入報警范圍，則采集的數(shù)據(jù)通過本地GSM模塊只發(fā)送到調(diào)度中心GSM模塊，經(jīng)由串口連接至通信服務器上的數(shù)據(jù)接收軟件。數(shù)據(jù)接收軟件對數(shù)據(jù)進行解析處理并記錄到數(shù)據(jù)庫軟件的儲存區(qū)，由數(shù)據(jù)庫進行儲存。數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)由組態(tài)軟件統(tǒng)計，顯示在調(diào)度中心顯示屏上；如果采集數(shù)據(jù)超出設定報警值，則本地報警系統(tǒng)立即啟動，本地報警顯示屏顯示報警信息，此時采集數(shù)據(jù)在發(fā)送到調(diào)度中心的同時，還將把報警信息發(fā)送到指定人(企業(yè)指定安全負責人或管線巡視維護人員)的手機上。

由于現(xiàn)場每個閥門井中的本地GSM模塊上的SIM卡都帶有唯一的號碼(手機號)，因此，不論是手機還是調(diào)度中心的GSM模塊，收到短消息后，都可方便地分辨出短消息發(fā)自哪一個閥門井，這與我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C收發(fā)短信是一樣的。

2．2　系統(tǒng)核心部件

本系統(tǒng)的核心部件為GSM模塊和單片機。

2．2．1GSM模塊

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、儲存器、功放器件等集成在一塊線路板上而形成的功能模塊，具有獨立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理功能并提供標準接口。

通常所說的GSM模塊包括GSM短信模塊和GPRS模塊兩種，統(tǒng)稱GSM模塊。其中GPRS模塊不僅具有收發(fā)短信和語音通信功能，還具有GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。GSM短信模塊只具有收發(fā)短信和語音通信功能。本文中所闡述的GSM模塊即指GSM短信模塊。在本系統(tǒng)中選用GSM短信模塊的原因主要有以下兩點：

①野外閥門井采用太陽能電池與蓄電池供電，為了減少電力消耗，系統(tǒng)必須采用定時供電，數(shù)據(jù)采集發(fā)送后要暫時關閉主要設備。在定時供電策略下，對系統(tǒng)重啟后恢復正常工作的時間提出了苛刻要求。GPRS模塊上線速度較慢，上線之后還要建立網(wǎng)絡連接，之后才能夠傳遞數(shù)據(jù)，工作周期長，增加了大量的電力消耗。而GSM短信模塊只要開機即可發(fā)送短信，重啟周期短。

②GPRS傳遞數(shù)據(jù)取決于網(wǎng)絡連接及網(wǎng)絡質(zhì)量，在網(wǎng)絡中斷或是遠端接收裝置工作異常時，傳遞出的數(shù)據(jù)無法找回。而GSM短信模塊發(fā)出的短信內(nèi)容在遠端接收裝置工作異常時不會丟失。這跟生活中一樣，如果在某人手機關機時向其發(fā)送短信，在重新開機后，短信會自動發(fā)送到該手機上。

本系統(tǒng)使用單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令(一種調(diào)制解調(diào)器命令語言)來控制GSM模塊，以實現(xiàn)各種無線通信功能^[2]。

2．2．2單片機

單片機是一種可通過編程控制的微處理器。單片機芯片自身不能單獨運用于某項工程或產(chǎn)品上，它必須要靠外圍數(shù)字器件或模擬器件的協(xié)調(diào)才能發(fā)揮其自身的強大功能。

本系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機，主要用于對閥門井內(nèi)天然氣管道壓力傳感器、可燃氣體傳感器采集到的壓力及燃氣泄漏濃度的原始數(shù)據(jù)進行處理，判斷是否開啟現(xiàn)場報警電路報警，并將數(shù)據(jù)通過GSM短信模塊發(fā)送至遠端接收裝置(調(diào)度中心GSM模塊和手機)。

3　系統(tǒng)硬件設計

3．1　GSM模塊TC35

在野外閥門井監(jiān)測點和調(diào)度中心，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用GSM模塊TC35，它具有語音呼叫、數(shù)據(jù)呼叫、短消息等多種功能，本系統(tǒng)主要采用GSM模塊TC35的短消息接收和發(fā)送功能，模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

3．2　單片機STC89C52RC

STC89C52RC是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機。片內(nèi)設置有4kb的可反復擦寫的只讀程序儲存器和128bytes的隨機儲存器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失儲存技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，并置有通用8位中央處理器(CPU)和Flash儲存單元，功能強大^[3]。

GSM模塊與單片機通信采用標準串行通信接口RS-232。單片機CPU外部儲存器及外部振蕩電路設計的特點：外部振蕩器采用諧振器、并行方式的晶體、電容或者RC網(wǎng)絡來配置系統(tǒng)時鐘。CPU在復位后首先從內(nèi)部振蕩器啟動，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，CPU既可以運行內(nèi)部振蕩器，也可接外部時鐘，并可在程序運行時實現(xiàn)內(nèi)、外部時鐘的切換。以上的功能在低功耗應用系統(tǒng)中非常有效。本系統(tǒng)選用11.0592MHz的無源品振連接到CPU的XTALl／XTAL2引腳上，作為外部振蕩器的輸入時鐘。

3．3　LED報警顯示屏設計

LED顯示屏的工作原理為：LED顯示是用發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管，它由8個發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可顯示0～9、A～F及小數(shù)點。本地LED顯示屏安裝在采集單元防水箱的面板上，便于巡視人員觀察、讀取數(shù)據(jù)。

考慮到能耗問題，本地顯示系統(tǒng)也可考慮采用液晶顯示的方式。

3．4　備電支持

由于系統(tǒng)中的傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊需要布置在野外閥門井監(jiān)測點內(nèi)，周圍環(huán)境大多為蠻荒野地，無法得到市電接入，而單純使用蓄電池支持，則需要定期去更換。采用太陽能電池與蓄電池聯(lián)合供電，就可以很好地解決備電支持需求^[4]。

3．5　系統(tǒng)防爆設計

天然氣是易燃易爆氣體，野外閥門井又是一個相對密閉的空間環(huán)境，因此，一旦發(fā)生天然氣泄漏并達到爆炸極限，遇點火源就會引發(fā)爆燃事故。為此，該系統(tǒng)采用了防爆設計，閥門井內(nèi)安裝的壓力傳感器及可燃氣體傳感器均采用本質(zhì)安全型儀表，而非防爆的采集單元則部署在距離閥門井超過4.5m的設備安裝桿上，并使用安全柵與井內(nèi)壓力和可燃氣體傳感器進行電氣隔離，從根本上滿足了防爆要求^[5]，詳見圖3。

4　系統(tǒng)軟件設計

4．1　系統(tǒng)軟件設計基礎

本系統(tǒng)的重點即為解決調(diào)度中心與野外閥門井監(jiān)測設備的遠程無線通信問題，系統(tǒng)中采用GSM模塊TC35實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信，GSM模塊TC35通過AT命令來進行控制，數(shù)據(jù)傳輸則采用短消息方式。AT命令和短消息的編碼、解碼方式是系統(tǒng)軟件設計的基礎。

4．2　現(xiàn)場閥門井系統(tǒng)軟件總體流程設計

現(xiàn)場閥門井系統(tǒng)軟件總體流程見圖4，分為串口初始化程序、TC35初始化程序、壓力及燃氣濃度信號采集程序、壓力及燃氣濃度信號數(shù)據(jù)上傳程序、短信報警程序及近程報警程序，都利用C語言進行編程。

4．2．1串口初始化程序

STC89C52RC單片機與GSM模塊的通信是通過串口來實現(xiàn)的，因此都要對串口進行初始化，以便使STC89C52RC單片機與GSM模塊之間能夠進行正常的通信。

4．2．2 GSM模塊TC35初始化程序

對GSM模塊TC35初始化是為了給單片機控制GSM模塊發(fā)送報警信息給用戶做準備。初始化啟動后，單片機向TC35發(fā)送初始化AT指令，如果TC35接收到指令并回復“OK”后，初始化過程結(jié)束；如果沒有回復“OK”，則重新初始化。

4．2．3壓力及燃氣濃度采集程序

野外閥門井中的天然氣管道壓力及燃氣濃度需要用相應的傳感器來進行采集，本系統(tǒng)采用本質(zhì)安全型傳感器采集閥門井內(nèi)天然氣管道的壓力及燃氣濃度。

系統(tǒng)按照設定頻率，定時啟動數(shù)據(jù)采集，采集過程嚴格控制傳感器供電時間，既充分考慮了低功耗需求，又可以避免供電時間太短造成傳感器數(shù)據(jù)未達到穩(wěn)定水平。壓力及燃氣濃度信號采集流程見圖5。

4．2．4壓力及燃氣濃度信號數(shù)據(jù)上傳程序

系統(tǒng)會將定時采集到的壓力及燃氣濃度信號數(shù)據(jù)，以短信形式定時向調(diào)度中心接收端GSM模塊發(fā)送，詳見圖6。

4．2．5短信報警信息發(fā)送及本地報警顯示程序

在系統(tǒng)監(jiān)測到壓力及燃氣濃度異常時，會開啟本地報警電路，同時會給調(diào)度中心和指定人手機發(fā)送一個報警信息，詳見圖7。

5　結(jié)語

GSM野外閥門井壓力及燃氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)利用GSM無線通信技術(shù)動態(tài)采集數(shù)據(jù)，并與遠端數(shù)據(jù)接收裝置建立快捷的數(shù)據(jù)通信通道，把采集的數(shù)據(jù)定時發(fā)送到遠端監(jiān)測中心。監(jiān)測中心在獲取數(shù)據(jù)后，將原始數(shù)據(jù)換算為標準工程單位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲存在標準格式數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了野外監(jiān)測點的數(shù)據(jù)同監(jiān)測中心組態(tài)的無縫連接。同時，一旦出現(xiàn)超限報警，其報警信息將以短信的形式發(fā)送到指定人手機上，從而實現(xiàn)全天候及時掌握運行情況，為天然氣長輸管道安全運行提供了可靠保證。

實際應用結(jié)果表明，將GSM短消息方式應用于監(jiān)測系統(tǒng)是切實可行的。它作為一種先進的監(jiān)測手段，在一定程度上解決了人工巡線對野外天然氣閥門井檢查不及時的問題，為天然氣長輸管道的安全運行提供了保證。基于GSM短消息的遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有其他監(jiān)測系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，具有廣闊的應用擴展空間。

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本文作者：付晉津

作者單位：天津市陜津天然氣集輸有限公司