浓度监控（共4篇）
浓度监控 篇1
0 引言
随着养猪业集约化和规模化程度的不断提高,封闭式猪舍已经被广泛应用于畜业的工厂化养殖。但由于卫生管理滞后,封闭猪舍空气污染日趋明显。其中,氨气对动物的机能影响大,而且相当普遍。据研究,当猪舍空间氨含量为38mg/m3时,就会对猪群的增重产生明显的不良影响;当达到70~110mg/m3时,猪群对呼吸道疾病就会很敏感,并表现为摇头、流涎和打喷嚏等症状。因此,将猪舍中的氨气浓度控制在较低水平,对改善猪舍的生产环境至关重要。
通风换气是改善猪舍空气质量的好办法。近年来,我国在对猪舍采用密闭方式进行饲养的同时,采用了纵向通风等技术,为猪舍的环境调控提供了物质保障。但多数控制系统是由饲养管理人员手动操作或机电式操作,自动化水平低,难以适应现代化管理的要求。
本文将传感器技术、虚拟仪器技术和自动控制技术相结合,对猪舍内有害气体中的氨气进行了检测与控制,采用变频调速装置对风机转速进行调整,实现对猪舍环境中氨气的调控。同时,还对有害气体中的其它成分进行了调节,为猪的生长发育创造了良好的生活环境,以不断适应猪舍环境的现代化管理要求。
1 系统结构和功能
对于猪舍环境监控系统的设计,主要包括两方面:一是环境参数检测系统的设计;二是环境调控系统的设计。首先,由传感变送器将畜禽舍环境中待检测的信息转化为电量,传感器输出的电量信号经过信号调理电路的调理,输入到数据采集板,由数据采集板的A/D转换模块将模拟信号(analog signals)转化为数字信号(digital signals),然后由计算机进行处理。计算机输出的控制指令由数据采集板的D/A转换模块将数字信号转化为模拟信号,该模拟信号通过对变频调速器的控制实现对风机的控制。系统总体结构配置如图1所示。
2 硬件设计
2.1 检测部分设计
在猪舍中,空气质量对动物的生长发育有着重要的影响,猪舍中的氨气含量应不超过20mg/m3(约合20×10-6)。考虑到猪舍内的环境特点,本系统中氨气传感器采用的是JB-QT-TON90ATN氨气气体传感变送器。其技术指数如下:检测原理为电化学式;测量范围为0~50×10-6;精度为±5%FS;工作电源为DC24V±2V;工作电流为不超过120m A;防爆方式为隔爆型;输出信号为4~20m A,标准电流输出;温度范围为-40~+70℃;相对湿度为20%~95%RH;最大传输距离为6000m(4.0mm2铜芯电缆)。
由于JB-QT-TON90ATN氨气气体传感变送器的工作输出信号是4~20m A标准电流信号,而本系统中所用数据采集板的模拟输入通道需要的是0~10VDC的电压信号,所以有必要将该传感器的输出信号调理为电压信号,以便于数据采集板的模数转换。该传感器的信号调理电路如图2所示。
其中,电阻R的阻值为500Ω的标准电阻。信号调理后的输出为2~10VDC的电压信号。
2.2 数据采集板
本系统根据要求选用美国NI公司今年推出的一种性能优良、价位低、适合PC机及兼容机的M系列数据采集板PCI-6221。它能完成信号采集(A/D)、信号模拟输出(D/A)及定时/记数等功能。
2.3 控制单元设计
系统从自动化控制与节能出发,采用变频调速装置实现风机转速的调整。其信号流程如图3所示。
此装置中变频调速器的选型为FR-A500。变频器端子主回路的连接如图4所示;主回路各端子说明如表1所示;控制回路各端子连接如图5所示;控制回路各端子说明如表2所示。
3 软件设计
软件设计是系统研究的关键,它将直接影响软件的使用性能。本系统选择了美国NI公司的虚拟仪器开发平台Lab Windows/CVI作为软件的开发工具。为便于对系统进行维护、扩展和完善,本系统采用了模块化的设计方法[3]。系统主要包括实时监测模块、系统参数设定模块、数据处理模块、帮助文件模块和文件管理模块等。程序的主要功能为读入舍内氨气浓度传感器的测量值,并与其相应的设定值进行比较;系统根据模糊控制原理,采用两输入单输出的模糊控制结构,输出控制增量,对控制设备进行开启和关闭,并将所需信息和数据进行保存、输出和查询等操作。
4 试验与结论
4.1 试验及分析
系统投入运行后,对控制效果进行了实际观测。观测起始时浓度为27×10-6。给定浓度为18×10-6;每5 min对环境采样1次,观测其阶跃响应,如图6所示。图6中还绘出了采用P1D控制器的控制曲线和人工控制曲线图。结果显示,可以保证系统的氨气度调控精度小于1×10-6。与P1D和人工控制比较,模糊控制的优越性显著。
4.2 结论
本系统是一种实时数据采集、数据处理和实时控制的畜禽舍环境监控系统,为畜禽的集约化饲养提供了良好的舍内环境,提高了猪的饲养密度。系统具有以下特点:
1)采用了虚拟仪器技术和模块化设计方法,使系统功能扩展和维修方便。
2)与传统控温仪相比,采用模糊控制技术对猪舍环境NH3浓度进行了监测与控制,提高了环境测控的精度和稳定性,避免了人工操作的主观性和随意性,可节省大量人力资源。
3)采用了Windows XP和Lab Windows/CVI开发的中文系统软件,人机界面友好、形象、直观且操作简便,具有很高的应用价值。
摘要：氨气是规模化封闭式猪舍养殖中空气污染的主要成分,严重影响了猪群的健康及其生产性能。为此,利用气敏传感器对猪舍内有害气体中的氨气进行了检测,采用变频调速装置对风机转速进行调整,实现对猪舍环境中氨气的调控。以LabWindows/CVI软件为开发平台,对检测数据进行实时显示以及数据的处理、保存和查询等功能。试验结果表明:该系统为猪的生长发育创造了良好的生活环境,避免了人工操作的主观性和随意性,具有较好的实用价值和应用前景。
关键词：畜牧学,猪舍NH3浓度检测,试验研究,变频调速,LabWindows/CVI
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浓度监控 篇2
安全监控系统是煤矿安全生产必须具备的几大系统之一, 用于煤矿井下各种环境参数和设备状态的监测, 发现环境或设备异常时进行报警和断电控制[1]。《煤矿安全规程》详细规定了各监测点需要监测的参数类型, 瓦斯浓度数据作为监测诸多数据中的重中之重被放在了尤为重要的位置[2]。国家安全监管总局和国家煤矿安监局在2013年签发的28号文件更是特别指出要建立、完善安全监控和煤与瓦斯突出事故报警的系统, 实质上是在更高层面上对煤矿安全检测系统数据, 特别是瓦斯浓度数据的二次研发和数据挖掘技术等方面提出了要求。要做好瓦斯浓度数据的二次研发和数据挖掘, 首先得保证基础监测数据的完整和准确。而在日常的生产过程中, 监控系统所采集的基础数据特别是瓦斯浓度数据往往存在着一些数据不准确或者失真的现象。
1 监控系统瓦斯浓度伪数据状况分析
由于井下环境条件恶劣, 矿井监控系统各监测部件受到灰尘、水蒸汽和温度等各种干扰因素的影响, 还可能遇到传感器及分站电源、存储介质及网络传输、电磁干扰等方面故障, 以及人为管理问题的影响[3], 造成了监控系统产生伪数据情况的普遍存在。
矿井监控系统采集到的瓦斯监测数据经常会存在数据异常、数据缺失等不可靠的现象, 往往包含各种环境噪声, 表现出复杂、非线性的特性, 需预先处理再进行数据的二次研发和数据挖掘。现场数据采集和传输的过程中最常遇到以下三种失真情况:第一, 监测数据在传输过程中由于干扰造成的“冒大数”现象[4], 瓦斯浓度数据会出现突变, 然后又迅速回归正常;第二, 由于现场施工或别的原因造成传感器断电, 数据缺失或者瓦斯浓度数据突然从正常变为零值;第三, 对传感器做标校试验, 瓦斯浓度会在很短的时间从正常值达到2.0%, 然后慢慢恢复正常。所以要做好监控系统数据, 特别是瓦斯浓度数据的二次研发和数据挖掘, 就必须对基础数据进行预处理。上面提到的三种伪数据类型中后两种瓦斯浓度值表现比较明显, 可以比较直观、容易发现。特别是第三种伪数据类型, 国内现有的主流监控系统都已经在各瓦斯传感器做标校期间, 在监控系统主机上对相应的传感器做了标记, 这种类型的伪数据已经不再需要做主动的识别, 文章所要研究的重点是第一种类型的伪数据。
2 瓦斯浓度数据异常的处理方法
监控系统瓦斯浓度异常数据也就是伪数据的存在往往会大大影响数据二次研发及数据挖掘结果的准确性, 根据监控系统瓦斯浓度数据异常的特点, 分以下两种情况对伪数据和异常数据进行预处理。对于异常数据中突然变大的瓦斯浓度值, 分析其原因, 可能是由于传输过程中干扰所引起的伪数据, 也有可能是由于灾变引起的。所以在建立数据序列预处理模型时不能做简单的直接取出, 要参考数据出现频率做规范化处理。对于瓦斯浓度数据序列中突然变为零值数据是必须要进行处理的, 但也不能直接进行简单的去除。出现零值的情形可能是传输信号中断或者受到了某种干扰, 但这些数据点所处当前时刻的实际浓度值是符合前后一段时间内数据序列统计规律的, 因此, 提取当前数据点前后一段时间内的统计规律和参数, 通过数据分析方法得到估计值进行当前零值的替换[5]。
在日常监测到的瓦斯浓度序列中, 往往存在若干个时间段或巡检点的浓度出现数据异常, 对于这种异常的时间段, 采用以下三种方法进行处理。第一种, 查找瓦斯浓度序列中出现异常值的个数和时间间隔, 如果这些异常值和缺失值都是单个或者时间较短, 一般不超过5 min, 选择平均移动线方法进行处理, 用求得的浓度值代替浓度序列中的异常值;第二种, 如果异常值巡检点较多, 时间间隔较大, 一般不超过10 min且连续个数较多时, 移动平均线方法得到的替代值会有较大的误差, 所以需要通过对出现连续异常数据之前的数据进行分析, 建立自回归模型 (AR) 进行浓度预测, 用预测值替代瓦斯浓度序列中的异常值, 这样得到的瓦斯浓度序列基本符合连续一段时间内时间序列整体特点;第三种是时间序列平滑移动法, 针对连续长时间的异常值和零值, 一般超过10 min, 为了去除AR预测模型多步连续预测误差的传递性, 需要通过时间序列平滑方法进行瓦斯浓度数据的预处理。以下是三种瓦斯浓度监测数据中异常数据处理的方法。
2.1 移动平均线补偿法
对于由瓦斯监测数据形成的瓦斯浓度时间序列{xt, t=1, 2, …}, 在浓度序列中某时刻t=a时, 突然出现零值或突跳变高瓦斯浓度值, 且数目较少时, 一般时间间隔小于5 min, 应该计算瓦斯浓度序列的移动平均线xa来进行数据补偿。其补偿浓度值通过计算在t=a时刻前Nx个数据点 (一般取时间长度20 min) 的均值来代替:
2.2 AR模型补偿法
对于瓦斯浓度时间序列{xt, t=1, 2, …}, 在其中某时刻t=a时, 出现连续多个零值或异常值的情况, 且时间长度较大时选择AR模型预测法进行数据补偿。异常值点不止一个但是异常时间间隔大于5 min又不超过10 min的时候, 通过选取t=a时刻前一定长度时间序列建立相应的AR回归预测模型。对瓦斯浓度序列中的零值和异常数据点处的数据, 通过连续多步预测得到。在这里要特别指出, 考虑到灾变引起的瓦斯浓度变大情况, 对多个连续高瓦斯浓度测值不作处理。以下是该处理方法的详细步骤:
(1) 确定时间序列的样本长度。考虑到瓦斯浓度序列长度的实际情况, 建立AR模型样本长度时, 应选择时间序列频域中两相邻频率间隔Δf的倒数的整数倍作为样本长度Nx=n (1/Δf) 。
(2) 数据序列的零均值化处理。瓦斯浓度序列数据一般是均值不为零的随机时间序列, 因此, 要进行零均值化处理。首先求得时间序列{xt, t=1, 2, …, Nx}的均值μx, 然后通过式 (2) 进行处理:
进行数据补偿时, 在预测结果上还原均值, 即给预测得到的瓦斯浓度序列值加上均值μx。同时, 为了减小舍入误差, 避免溢出, 还要进行标准化处理, 处理方法如下式:
式中, σx为序列{xt, t=1, 2, …, Nx}的方差。
同样得到预测结果x赞t后进行反归一化:
(3) 模型参数估计及定阶。采用最小二乘法估计模型参数方法确定适合的模型及其模型所选择的预测阶数。
(4) 利用上面建立的模型循环多步预测。统计瓦斯浓度序列中零值数据出现的个数Nf, 做连续Nf步预测, 得到预测值作为浓度序列中异常的替代值, 还原整个浓度异常序列。
2.3 时间序列平滑移动法
当瓦斯浓度序列零之数据或者缺失数据超过10 min时, 考虑到AR多步连续预测其误差的传递性, 不适合应用于缺失数据补齐。需要对瓦斯浓度序列数据的时间序列进行平滑处理, 得到间隔均匀的时间序列, 再来构建数据补偿模型。考虑到超过10 min数据异常往往是数据缺失可能比数据异常更多, 产生的频率也更高, 时间跨度更长。因此, 需要采用时间序列平滑方法进行瓦斯浓度序列缺失数据的补偿处理[6]。
在瓦斯浓度数据序列中可能在若干个较长的时段出现数据缺失或者异常, 而瓦斯浓度序列的构成往往具有2次、3次或高次的数据模型, 需要利用高次平滑的方法做数据补偿处理。因此, 对于所有缺失的较长时间段, 结合平滑处理后瓦斯浓度序列的特点, 选择采用布朗3次指数平滑法进行瓦斯浓度异常数据的补偿。布朗3次指数平滑法是从线性平滑再进行1次平滑过渡到2次多项式的平滑方法, 即是3次平滑[7]。预测过程中, 在生成以每个巡检周期Δt为间距的时间序列后, 需要对得到时间间隔均匀的时间序列{x′t, t=1, 2, …}进行再一次间隔重采样。比如当选择5 min为预测间隔时, 预测的采样间隔就为300/Δt。重采样得到一定时间间隔的样本数据{yt, t=1, 2, …}。首先确定数据缺失序列{xt, t=1, 2, …}模型需要的时序长度Nx, 然后确定插入数据点数和平滑处理的步距m, 以及缺失数据点的前Nx个点的瓦斯浓度监测值xt, (t=1, 2, …, Nx) 。数据平滑化处理过程如下式:
式中, S′t为t时刻的一次指数平滑值;S″t为t时刻的二次指数平滑值;S苁t为t时刻的三次指数平滑值;xt为t时刻瓦斯浓度值;α为系数, 可取0.3、0.5、0.7。
S′t-1、S″t-1、S苁t-1分别通过下式得到:
式中, N为缺失数据点前正常时间序列的长度。
预测数据缺失的序列式如下:
3 瓦斯浓度数据预处理方法的验证
为了验证数据处理方法的有效性, 选取了某矿一综采工作面瓦斯传感器的浓度序列值进行了验证。由于文章篇幅有限没法对三种方法一一作以验证, 移动平均线处理法和AR模型处理法都是对一个异常点或者较少的数据缺失点进行处理且方法相对简单易理解, 在此主要针对时间序列平滑移动法的有效性进行验证。该方法主要是对瓦斯浓度序列缺失数据的补偿处理, 选取一组时间序列瓦斯浓度数据, 人为去掉里面的较多组瓦斯浓度数据值, 通过时间序列平滑移动法数据补齐处理后, 和真实数据进行比对, 统计均方误差值, 从而验证方法的有效性和可行性。
第三列浓度值为现场原始浓度值, 第四列中人为去掉6组浓度值, 运用平滑指数法, 代入公式 (6) ~ (10) 计算, α分别取0.3、0.5、0.7, 利用matlab进行计算, 预测结果如表1所示。
由表1可知, α=0.3、α=0.5、α=0.7时, 均方误差分别为:MSE=0.14、MSE=0.12、MSE=0.18。因此可选α=0.5作为该时刻瓦斯浓度预测时的平滑常数。
α=0.5时, 预测结果的相对误差为5.63%, 远远小于瓦斯传感器允许的测量误差10%, 所以预测结果能够满足现场对基础数据精度的要求。
4 结论
从对矿井监控系统数据挖掘的需求入手, 分别分析了常见的三种数据异常状况: (1) 数据缺失或者瓦斯浓度数据突然从正常变为零值的状况; (2) 由于传输过程中电磁干扰造成的“冒大数”现象; (3) 传感器做标校试验期间瓦斯浓度数据会在很短时间从正常值达2.0%, 然后慢慢恢复正常。
(2) 针对三种失真现象提出了移动平均线处理方法、AR模型处理法和时间序列平滑移动法三种瓦斯浓度数据异常处理和补偿的方法, 并对三种补偿方法所针对的不同异常情况进行了区别和分析。最后就所选的数据序列利用时间序列平滑移动法的有效性和可行性做了相应的验证, 得出当选择α=0.5时该方法处理结果误差较小, 有效性高的结论。
参考文献
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浓度监控 篇3
1 系统设计
本系统由4个酒精浓度检测系统和接收控制系统以及发动机启动控制电路3部分组成, 其中4个酒精浓度检测系统分别安装在主驾驶区 (主驾驶员的方向盘中间处, 简称A区) , 副驾驶区 (简称B区) , 主驾和副驾的中间区域 (简称C区) 以及主驾身后的区域 (简称D区) 。酒精浓度检测系统以低功耗的MSP430F2132为控制核心, 由信号采集电路、信号处理电路、数据无线发射电路等部分组成。接收控制系统以MSP430F2132为控制核心, 由信号接收电路、语音报警电路等部分组成。发动机启动控制电路主要有报警信号接收电路、启动信号通断电路等部分组成。系统框图如图1所示。
当司机坐在主驾位置上时, 接收控制系统工作。接收控制系统向4个检测系统发送启动工作指令, 4个检测系统工作, 实时检测驾驶内的酒精浓度, 并将之转换成待传输的数字信号。接收控制系统分时给出4个检测系统的地址信息, 和4个检测系统分时通信, 接收检测系统的酒精浓度数据。接收控制系统对A、B、C、D区的酒精浓度数据和内置的专家数据进行比对, 以判别是否酒驾。如果酒精浓度超标, 同时车未启动, 则进行声音报警, 控制继电器切断汽车制动系统里点火装置的电源, 汽车无法启动。若汽车发动机在运行时检测到酒精浓度超标, 进行声音报警, 并提醒驾驶人员系统将在一分钟后自动切断点火装置电源, 强迫停车。若酒精浓度不超标, 则发动机启动控制继电器不起作用, 车可以正常启动和行驶。
2 酒精浓度检测系统
酒精浓度检测系统以低功耗的MSP430F2132为主控制器, 工作电压为1.8~3.6 V, 非常适用于电池供电的系统。MSP430F2132内置8路10位A/D转换器, 转换速度为200 k S/s可实现系统所要求的高精度、快速的模/数转换。
2.1 酒精浓度检测电路[2,3,4,5]
酒精浓度检测选用MQ-3气敏传感器。MQ-3的敏感部分是由金属氧化物Sn O2的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附气体酒精分子时, 其表面的导电电子比例就会发生变化, 从而表面电阻会跟随被测气体浓度的变化而变化。当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生变化时, 对应的电阻两端的分压值也会发生相应的改变, 即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。本系统中酒精浓度信号的采样模块电路如图2所示, MQ-3的5引脚为加热电阻的电源端, 接至+5 V直流稳压电源。MQ-3的两个A引脚 (即4和6引脚) 相连, MQ-3的两个B引脚 (即3和1引脚) 也连接在一起, 将A端接到2.5 V的电源正极, B端接200 kΩ电阻 (可根据具体情况调节电阻的大小) , 具体接线如图2所示。LM324是一个集成了4个通用运放放大器的集成芯片[6], 采样的电压先通过一个电压跟随器, 以提供其带负载的能力。跟随后的输出电压再经过差分电路, 以便调零和克服温漂等共模信号对精度的影响。最后通过运放放大成0~3.6 V接入微处理器内部A/D转换器的输入端口。
2.2 数据无线传输电路
本系统数据无线传输电路选用NRF24L01作为核心芯片[7], 实现酒精浓度数据的无线传输。NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片, 使用2.4~2.5 GHz全球开放的ISM频段。NRF24L01采用GFSK调制, 抗干扰能力强。可以实现点到点或是1点对6点的无线通信, 传输速率可以达到2 Mb/s。电路如图3所示。车厢内安装有4个检测系统, 为了便于接收器识别这4个检测系统, 每个检测系统各有一个互不相同的地址码。检测系统发送酒精浓度数据时, 先发送其地址数据, 然后再发送酒精浓度数据。
3 接收控制系统
接收控制系统以MSP430F2132为主控芯片, NRF24L01无线数据接收检测系统发送来数据, 接收电路参见图3。由于车内安装有A、B、C、D四个酒精浓度检测系统, 4个系统发送无线数据时, 信号频率一致。因此, 当四个检测系统传输数据时, 必会发生传输数据的碰撞。为此, 必需研究这个问题, 防止数据传输中数据碰撞。接收控制系统将接收到来自检测系统的地址信息和酒精浓度信息, 根据系统内部预先设置的各个检测系统的报警数据阈值, 判断是否发出酒驾报警控制信息。
3.1 酒驾报警信息无线发送
酒驾报警信息的传输数据量少, 为了避免无线传输中的同频干扰, 酒驾报警信息的传输, 本系统选用PT2262/PT2272作为传输的核心芯片[8], 实现接收控制终端和汽车点火控制装置的通信。PT2262/PT2272是一对带地址编码的无线遥控发射/接收芯片, 其中PT2262为发射芯片, PT2272为接收芯片, 工作频率一般为433 MHz或315 MHz。接收控制系统中设计有报警信息发送电路, 该电路比较简单不做详细介绍。
3.2 语音报警电路
当车厢内的酒精浓度达到或超过酒驾阈值时, 接收控制系统发出报警停车信号同时发出声音报警信号。语音报警电路采用芯片ISD4004[8]。ISD4004芯片采用CMOS技术, 工作电压3 V, 录放时间8~16 min。ISD4004输出的语音信号功率较小, 为此需要将该语音信号放大, 放大电路如图4所示。
本系统中预先录制1提示音:“请尊重生命, 杜绝酒后驾驶”;2警告音:“您已经酒后驾驶, 车将在1 min后自动停止”。分别从两个语音地址录入语音, 播放时根据语音地址的不同播放2种语音。
3.3 汽车行驶状态判断电路
为了达到安全、方便地控制汽车, 本系统还设计有汽车行驶状态判断电路。该电路采用霍尔传感器A3144[9]检测轮胎的转动情况。霍尔传感器是磁敏感传感元件, 只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢, 让霍尔开关靠近磁钢, 转轴转动时就可以获得一串脉冲信号。如果在圆周上粘上多粒磁钢, 获得一周多个脉冲输出。脉冲信号经过光耦隔离后接到主控芯片的计数端口, 主控芯片计数单位时间内的脉冲个数, 并将之转换成汽车行驶的速度, 判断汽车的运行状况。
3.4 显示电路
接收控制终端上设计有显示电路, 实时显示车厢内的酒精浓度以及汽车的运行状态及速度。为了减少功耗, 显示电路设计有休眠功能, 当车厢内的酒精浓度未达到酒驾报警值时, 显示器休眠, 按任意键激活。
4 启动控制系统
启动控制系统安装在发动机启动电路附近。安装时需要将发动机启动电源的一根线断路, 通过启动继电器的常闭触点连接。当没有报警信息时, 启动继电器不吸合, 常闭点接通, 发动机正常启动。当报警信息发生时, 启动继电器吸合, 启动电源断开, 发动机停止, 汽车制动。启动控制系统中设计有与接收控制电路中报警信息发送电路地址一致的报警信息接收电路, 接收报警信息。该部分电路设计较简单, 限于篇幅本文不做详细介绍。
5 软件设计
本系统软件核心部分有两个, 一个是酒精浓度是否达到酒驾的判决;一个是数据传输的防碰撞问题。
5.1 酒精浓度判别
车厢内安装有4个酒精浓度检测点, 分别为系统设计中所说的A、B、C、D四个区域。由于酒精气体因浓度差, 会在车厢内慢慢扩散。依据常识, 距离源点近的检测点的浓度一定高于距离源点远的检测点的浓度。因此, 如果主驾位置是酒精气体的源点, 则4个检测点的酒精浓度数值关系应该是A>C>D>B。如果副驾位置是酒精气体的源点, 则4个检测点的酒精浓度数值关系应该是B>C>A>D。如果后排右侧位置是酒精气体的源点, 则4个检测点的酒精浓度数值关系应该是B>C>D>A。如果后排左侧位置是酒精气体的源点, 则4个检测点的酒精浓度数值关系应该是D>A>C>B。接收控制器根据4个检测点的酒精浓度的相互关系判别酒精气体的源点, 对是否发出报警信息作出正确的判断。本系统对各点酒精的模拟检测基本上符合上面逻辑。
5.2 数据传输的防碰撞
单信道同频率无线数据传输中, 防碰撞是必然要研究的问题。本系统中无线通信方式是4对1的通信。如果4的发送点同时发送必然会引起数据的碰撞, 因此在通信应该进行分时发送。本系统中将接收控制系统作为主叫控制器, 4个检测控制系统作为被叫控制器。系统启动时, 被叫控制器都处于接收状态, 主叫控制器依次发送被叫控制器的地址码。被叫控制器接收主叫控制器发送的地址码, 并和本系统的地址码比对。如果地址码一致, 该被叫控制器发送呼叫应答信号, 从而和主叫控制器建立通信链路, 实现通信。被叫控制器发送完数据后, 主动释放信道。主叫控制器依次轮询下一个被叫控制器, 实现4对1的无碰撞数据通信。
6 结语
本系统设计了一个的车载酒精浓度在线检测系统, 系统中创新地采用传感器阵列, 通过安装在不同位置的传感器, 可以准确测量车厢内各位置的酒精浓度, 为主驾位置酒精浓度是否超标提供准确检测。同时系统采用数据信息的无线收发方式, 可方便安装在汽车上。本系统智能化程度脚高, 功耗低, 可靠性高, 对预防酒后驾车具有良好的效果, 因此在实际应用中具有很好的推广价值。
摘要：该系统以MSP430F2132微处理器为核心, 采用安装在不同位置的传感器阵列, 对车厢内各点的酒精浓度进行数据采集。根据检测到的车厢内各点的酒精浓度, 为主驾位置酒精浓度是否超标给出准确判断。报警数据通过的方式发送数据给接收机, 发动机启动控制系统根据汽车当前行驶状态做出相应的报警和制动, 从而有效杜绝酒驾的发生。
关键词：MSP430F2132,传感器阵列,车载系统,酒精检测,无线传输
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[9]何立周, 汪松年.一个使用霍尔元件的测速系统[J].工业控制计算机, 1991 (4) :45-46.
浓度监控 篇4
在淡水养殖中,饲料的投放、疾病防治、水温、水中溶解氧浓度的检测与控制对提高养殖产量与质量都非常重要。由于水中的溶解氧浓度受水温的影响,加氧不及时而造成养殖损失的现象时有发生[1]。因此,溶解氧浓度的数据采集和处理成为提高养殖密度和产量的关键。但由于监测范围广,采样点分散,难于实现有线网络的远程监控。本文根据实际情况开发了基于单片机和全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communication)的无线遥控淡水养殖溶氧浓度监控系统。利用单片机进行智能监测与控制,利用GSM网络的良好覆盖功能和稳定可靠的数据通道,实时检测多个单片机自动检测点确保溶氧浓度监控参数准确及时的进行传送。
1 系统整体设计
首先,溶解氧浓度传感器将水中溶解的氧气浓度值转换成电流信号,经过转换放大成电压信号后,送至C8051F020单片机处理。单片机还将同时采集环境温度和大气压力,对当时溶氧值的温度和压力进行补偿[2],获得准确的溶氧值。当水中溶氧值不满足设定要求时,单片机以短消息的形式通知管理者并同时开启气泵,向水中输入氧气,直到溶氧值满足要求为止。管理者还可现场设定溶氧值的大小,单片机可把溶氧值、温度和压力等参数通过GSM短消息模块T35发送到控制中心PC机。控制中心也可将管理人员的控制命令、参数设定等按照短消息格式传送到下位机的GSM短消息模块T35,C8051F020单片机获得相应的控制命令和设定参数后,进行相应的程序处理。控制系统原理如图1所示。
2 水中溶解氧浓度检测及补偿
水中溶解氧的浓度测量使用原电池型氧传感器。该传感器使用覆膜酸性胶体电解质原电池式氧传感器实现水中溶氧(DO)浓度的测量。传感器的两个金属电极密封在充有电解质的容器内,用选择渗透性薄膜将小室封闭住,只有水中的氧气可渗透该薄膜。因原电池作用或在电极上外加电压使电极间产生电位差,该电位差使电池中产生电化学反应,形成电流。传感器输出电流大小与水中的溶解氧浓度成正比,因此可通过测量传感器的输出电流来测量水中的溶氧浓度。覆膜式氧传感器的输出电流与水中溶氧浓度关系[3]:
式中:n为反应电子数;F为法拉第常数;A为阴极表面积;D为氧扩散系数;L为透气膜外表至阴极表面的距离;c为溶氧浓度。
当电池的材料和结构确定时,在一定温度下,(1)式可简化为:I=k·c(2)
即电流与溶氧浓度成正比,为线性元件。式中,c为溶氧浓度;k为传感器系数。
由于渗透膜的渗透性明显地随水温变化,所以必须进行温度补偿。测温电路采用半导体集成温度传感器LM35,温度传感器输出信号经后级放大与变换,转换为电压信号后送入单片机,单片机根据温度值变化对溶氧值进行补偿。
3 硬件电路设计
3.1 C8051F020单片机
溶解氧浓度监控系统信号处理使用C8051F020单片机。Cygnal C8051F020单片机与8051指令完全兼容,它在片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所要的几乎所有模拟和数字外设和其他功能部件,它们包括:12位多通道ADC、可编程增益放大器、12位DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、2个全双工UART、多级中断源、可编程计数器/定时阵列(PCA)、内部振荡器、看门狗定时器以及电源监视器等,256字节+4KB内部RAM、128字节特殊功能寄存器、64KB FlashROM,执行速度可达25MIPS[4]。单片机多路12位A/D转换器可以直接与监控系统传感器模拟信号相连,它自带的存储容量64KB的FlashROM和4KB RAM,完全能够满足本系统的需要,不必再扩展外部存储器。
3.2 TC35模块及其接口电路
TC35模块是德国西门子公司推出的40个引脚无线通信GSM调制解调器。TC35模块的引脚可以划分为5类,即电源、数据输入/输出、SIM卡、语音接口和控制[5]。
SIM卡包含了所有的用户数据(用户识别信息,辅助业务信息、短信息、移动信息和无线电资源信息等)只有插入SIM卡,移动终端才能接入网络。TC35使用外接式SIM卡,ZIF连接器上有6个引脚作为SIM卡的接口。
TC35模块提供的是RS232数据口,因此单片机对TC35模块的控制和通信信号要进行电平转换。单片机与TC35及电平转换接口电路如图2所示。
3.3 按键及显示器
通过单片机P 1口连接了“测量”“设定”“校正”“清洗”等功能键和数字键,使溶氧浓度监控系统能测量和设定溶氧值外,还具有大气压力校准和定时清洗溶氧传感器探头功能。由于氧的溶解度和大气压力有关,管理者需通过键盘输入当地的大气压力,由软件完成大气压力的校准。系统通过控制气泵开关,用气流吹掉溶氧传感器探头上的附着物,实现探头的定时自动清洗[6],管理者可以对冲洗间隔和冲洗时间进行设定。
通过单片机P3口连接液晶显示器,用来显示测量值和设定值。
4 软件设计
系统软件主要包括单片机程序和PC机程序。
4.1 单片机控制程序
单片机需完成与PC机定时通讯、按键功能处理、定时采集与数据传输、数据显示与现场处理、短信提醒、接收和处理控制中心的命令等功能,单片机软件设计流程图如图3所示。
当按键处于测量档时,单片机间隔一定的时间,采集水中溶解氧浓度、温度和大气压力,补偿后获得准确的溶氧值,并与设定水中溶氧值比较,不满足要求时以短消息通知相关管理者和控制中心PC机,同时打开气泵,向水中输入氧气,直到溶氧值满足要求或接到控制命令为止。单片机还将定时与中心PC机通信,传送温度、压力、溶氧值等消息。
4.2 短消息处理
当水中溶解氧浓度与设定值不符时,单片机以短消息通知相关管理者和控制中心PC机。单片机通过向TC35写入不同的AT指令完成多种功能,如网络登录、读取SIM卡号码、接收和发送SMS消息等。初始化包括设置串口波特率、短消息的控制、采用PDU模式等。常用的AT指令包括[7]:
AT+CSCA设置消息中心地址
AT+CMGS发送短消息
AT+CMGR读取短消息
AT+CMGD删除短消息
AT+CMGL短消息列表
AT+CNMI显示新收到的短消息
发送传输数据是以十六进制形式表示,传送时将其转换成ASCII码。
4.3 控制中心
控制中心随时获得从站的溶氧值、温度等参数,VB编写的管理程序完成显示、报警及分析处理等。也可将管理者的控制命令包括从站的选择、采集时间间隔、探头清洗时间、补偿参数设定等信息参数按照短消息格式传送到下位机的GSM短消息模块T35,C8051F020单片机获得相应的控制命令和设定参数,进行相应的处理程序,还可进行储存数据、打印报表等操作。
5 结束语
基于单片机和短消息的淡水养殖溶氧浓度监控系统实现了现场控制和远程无线遥控数据采集、处理、传输等功能,由于GSM网络的良好覆盖功能和稳定可靠的性能,使这个系统安全、方便,价格低廉,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]郑劲松.浅水池塘高产养殖技术研究[J].安徽农业科学,2002,30.
[2]秦文正,吴亚英.高精度数字式溶氧仪[J].分析仪器,1998,1.
[3]侯加林,王会明,聂宜茂.智能型溶解氧分析仪的研制[J].电子与自动化,1998,4.
[4]潘琢金.C8051F高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[5]郭红霞,潘斌,王章瑞.CygnalF020控制TC35的无线终端的设计[J].仪器仪表用户,2004,4.
[6]王玉田,刘蕊,侯培国.一种新型溶解氧浓度测量仪的设计[J].仪表技术与传感器,2003,9.