基于WirelessHART通信技术的可燃气体报警仪

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基于Wireless HART通信技术的可燃气体报警仪\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高精度测量及实时监测领域，具体是一种可燃气体报警仪，对石油化工等企业生成过程中的可燃气体浓度进行精确检测，并可以通过Wireless HART（无线HART通信协议）通信方式实时传输的检测仪器，适合在恶劣的工业现场环境中使用。\n背景技术\n[0002] 在工业生产中，无论是生产、加工原料还是燃料，经常会有一些可燃性气体，如氢气、甲烷和液化石油气等，这些气体一旦发生泄漏很容易导致燃烧甚至是发生爆炸，严重时会造成人员伤亡和财产损失，所以在这些场合安装可燃气体报警仪就显得特别重要。但目前可燃气体报警仪普遍采用有线方式传输检测信号。以有线连接方式存在着以下几个问题：1、维护困难、成本高。当电缆线路发生故障或者要更改线路时，势必要重新铺设电缆，这一方面现场施工有困难，另一方面原有线路被抛弃而无法利用，造成浪费增加成本。2、灵活性差。检测网络架设好后，要进行变更是相当困难的，而增加设备又要铺设更多的电缆，随着年代的增长，甚至会出现电缆线路已饱和无法再重新铺设更多的电缆这样的问题。3、适用范围窄。有线方式对于地域广、设备分散的应用场合并不适用，因为铺设电缆难度大且不太方便。显然，采用无线方式的需求越来越迫切，同时事实也证明，无线网络技术更有利于现场数据的控制和管理。\n[0003] 目前，无线网络以其组网灵活、投资少、维护简单等优点正在成为工控领域的应用热点。工控领域中应用的无线网络技术有好几种，其中的Wireless HART协议对现有HART设备仪表有良好的兼容性，是一种专门为工业过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议，以HART协议为基础，采用工作于2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical 工业、科学、医学）射频频段，具有安全、稳健的网格拓扑联网技术。Wireless HART通信技术向后兼容于现有的HART设备仪表，并进行了功能补充和应用拓展，现有的HART应用无需进行任何软件升级，都可以利用Wireless HART协议。\n发明内容\n[0004] 本发明针对现有以有线方式传输信号的可燃气体报警仪表存在的不足，提出一种基于Wireless HART通信技术的可燃气体报警仪，无需维护、成本低、灵活性好，适用范围广泛。\n[0005] 本发明采用的技术方案是：包括MSP430单片机，MSP430单片机通过不同的端口分别连接信号调理电路以及WIA无线通信模块，信号调理电路连接可燃气体传感器；所述可燃气体传感器检测可燃气体的浓度，转换成对应的电信号至信号调理电路放大处理，放大后的信号输入到MSP430单片机；所述MSP430单片机对输入的信号进行模数转换，得到对应的数字量，经数据分析、阈值比较，判断是否达到报警值，若达到，则将报警信号通过全双工串口发送给WIA无线通信模块；所述WIA无线通信模块采用WIAPA-M1800无线适配器，以Wireless HART方式将数据发送到上位机，进行发送与接收串口数据，提供同步时间戳信息、本地配置信息及诊断信息的一个命令接口；所述MSP430单片机与所述WIAPA-M1800之间的所有报文全部以数据链路控制HDLC包格式成帧，对应每个命令成一帧，包含1个字节的起始位，n个字节的信息，2个字节的校验位和1个字节的截止位，信息中包含了命令号和数据。\n[0006] 本发明无需铺设电缆，有利于现场数据的控制和管理。具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时无线通信等优点；适用于地域广、设备分散的应用场合，也适合在恶劣的工业现场环境使用。\n附图说明\n[0007] 图1是本发明基于Wireless HART通信技术的可燃气体报警仪的硬件结构示意图；\n[0008] 图2是图1中信号调理电路的结构图；\n[0009] 图3是图1中WIA无线通信模块的应用电路原理图；\n[0010] 图4是HDLC包格式示意图；\n[0011] 图中：5.MSP430单片机；6.可燃气体传感器；7.信号调理电路；8.片外存储器；\n9.按键电路；10 .WIA无线通信模块；11.声光报警电路；12.LCD显示器；13.电源。\n具体实施方式\n[0012] 如图1所示，本发明包括MSP430单片机5，MSP430单片机5通过不同的端口分别连接信号调理电路7、片外存储器8、按键电路9、WIA无线通信模块10、声光报警电路11、LCD显示器12和电源13。信号调理电路7连接可燃气体传感器6。在报警仪外壳上端开口处安装可燃气体传感器6的可燃气体敏感探头，正面开口处安装LCD显示器12和按键，在外壳内部安装WIA无线通信模块10和主控制器电路板，在外壳右侧开口处安装无线天线。\n[0013] 通过可燃气体传感器6检测可燃气体的浓度，并转换成对应的电信号VOUT，通过信号线连接到信号调理电路7的Header2输入端进行放大处理，然后将信号输入到MSP430单片机5，MSP430单片机5内置有16位A／D单元，A／D单元对输入的信号进行模数转换，得到对应的数字量，经过MSP430单片机5的数据分析、阈值比较，判断是否达到报警值，若达到，则将报警信号通过全双工串口发送给WIA无线通信模块10，然后再由WIA无线通信模块以Wireless HART方式将数据发送到上位机的报警平台，实现无线远程报警，同时，也以声光报警电路11进行传统声光报警，并且将测量数据通过片外存储器8存储，通过LCD显示器12进行显示；电源13采用3.3V锂电池供电。主控制器电路板中使用3.3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源。按键电路9实现系统复位、阈值设定等功能。\n[0014] 信号调理电路如图2所示，采用高精度仪用放大器LTC2053，对可燃气体传感器TGS6812的输出电信号进行高精度的放大处理。LTC2053的输入偏移电压最大为10μV，共模抑制比CMRR和电源抑制比PSRR可以达到116dB。工作电源采用低电压2.7V电源，消耗电流非常低，典型值为85μA，满足低功耗要求，采用3.3V锂电池供电。\n[0015] 图2中插座Header2的1号和2号引脚连接放大器TGS6812的输入电信号，电容C17（102）一端接到插座1号引脚，另一端接到插座2号引脚；电阻R2（10K）一端接到插座2号引脚，另一端接到LTC2053的2号引脚；电阻R3（10K）一端接到插座1号引脚，另一端接到LTC2053的3号引脚；电阻R5（10M）一端接到LTC2053的8号引脚，另一端和电阻R6、R8相连；电阻R6（10M）一端和电阻R5、R7、R8相连，另一端接地；电阻R7（1M）一端和电阻R5、R6、R8相连，另一端和插座1号引脚相连；电阻R8（1M）一端和电阻R5、R6、R7相连，另一端和插座2号引脚相连；电容C15（102）一端和插座1号引脚相连，另一端接地；\n电容C16（102）一端和插座2号引脚相连，另一端接地；电阻R4（10Ω）一端接LTC2053的6号引脚，另一端接地；电容C_feedback（104）一端接LTC2053的6号引脚，另一端接LTC2053的7号引脚；可调电阻Radj_1（100Ω）一端接LTC2053的6号引脚，另一端和中间引脚接LTC2053的7号引脚；LTC2053的1号、4号引脚接地；可调电阻Radj_2（100Ω）一端接LTC2053的1号引脚，另一端接LTC2053的5号引脚，中间引脚接LTC2053的8号引脚；\nLTC2053的8号引脚接3.3V电源。电容C15和C16有助于吸收射频干扰及抑制在TGS6812的输出端出现的采样干扰。在反馈电路中增加了电容C_feedback可以加速放大器的响应。\n电阻R5～R8提供高阻抗偏置，能够在输入信号无电压降的情况下使其抗干扰性达到最大。\n通过调节Radj_1和R4可以方便对电路增益进行编程。\n[0016] MSP430单片机5内核是16位RISC处理器，单指令周期，其运算能力和速度和实现超低功耗特性上都具有一定的优势。MSP430F425内部集成16位模数转换控制器、LCD控制器和FLASH控制器，在软件上通过休眠模式减少CPU的运行时间，能够将运行功耗控制在微安级。\n[0017] WIA无线通信模块10采用具有Wireless HART通信技术的WIAPA-M1800无线适配器，WIAPA-M1800是一种低能耗、短程无线通信设备，工作在全球免费的基于工业标准\n802.15.4的2.4GHz频段。WIAPA-M1800集成了SIA2420无线模块及WIA-PA核心协议，可以连接现场仪表设备，使其可以接入无线网络中，并且具备网络路由功能，以Wireless HART方式进行数据通信。\n[0018] MSP430单片机5通过全双工串口P3.4/UTXD0和P3.5/URXD0引脚分别与WIAPA-M1800提供的串口P3.7/RXD和P3.6/TXD引脚相连，WIAPA-M1800应用电路原理图如图3所示。串口传输参数为1位起始位、8位数据位和1位停止位，波特率为9600。通过这个端口，WIAPA-M1800能够通过无线网络进行发送与接收串口数据，以及提供同步时间戳信息、本地配置信息及诊断信息的一个命令接口。\n[0019] MSP430单片机5与WIAPA-M1800之间的所有报文全部以高级数据链路控制HDLC（High level Data Link Control）包格式成帧，对应每个命令成一帧。HDLC包格式如图4所示。包含1个字节的起始位（0X7E），n个字节的信息（HDLC负载），2个字节的校验位和1个字节的截止位（0X7E），其中信息中包含了命令号和数据。命令号占1个字节，主要命令号有\n0x11表示写设备Network ID，0x12表示读设备Network ID，0x13表示设置设备MAC地址，\n0x14表示读取设备MAC地址，0x17表示数据透明上传，0x18表示数据透明下发。