地下管网气体危险源监控终端设计与实现第2章.docx

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地下管网气体危险源监控终端设计与实现第2章

地下管网气体危险源监控系统研究与分析

1.1安全监控系统研究与分析

一般的安全监控系统均包含3个部分：

监控中心、传输网络和监控终端以及接在监控终端上的传感器和受控设备等。

本节重点对安全监控系统的传输网络、组网方案和传感器与监控终端的连接接口进行分析。

1.1.1监控系统常用组网技术分析

1.常用有线组网技术分析

以太网技术：

常见的以太网组网结构有星形结构、总线形结构和环形结构。

传输线缆通常采用双绞线和光纤相结合的方案，以太网的特点是传输速度快，传输距离与所用传输介质有关，例如1Base－5使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；若要更长的传输距离则要加中继器。

RS485技术：

RS485是在RS422之后推出的，继承了大部分RS422的特点。

RS485数据传输速率可达10Mbps，加入中继后最大传输距离可达十公里。

RS485总线标准采用单工差分信号传输，差分信号的制式使其具有较强的共模干扰抑制能力[23]。

485总线不能同时发送和接收数据，所以通信效率比较低，传输距离与传输速率成反比，对于速度要求高的场合不宜采用RS485总线。

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）总线技术：

CAN总线最初在汽车内部器件通信中首次提出并广泛使用[23]，后来成为ISO标准化的串行通信协议。

CAN总线具有诸多优点：

1、CAN总线协议摒弃传统的传统的地址编码方案，采用了数据块编码，使得网内节点数不受地址个数的限制。

2、CAN总线为竞争式的通信机制，具有完善的仲裁机制，任意节点可在任意时刻向其它节点通信，不必采取轮流查询的方案。

3、CAN总线通信速率和通信距离、电源性能以及环境干扰大小有关，通信速率为5Kbps时通信距离约10千米。

CAN总线在监控系统中得到广泛应用：

文献[20]利用CAN总线和GPRS网络，汽车内部传感器采用CAN总线通信，汽车与车主的通信采用GPRS，组建了汽车防盗系统；文献[21]采用CAN总线设计了脉冲电源监控系统，监测脉冲电源的工作状态。

2.有线组网技术应用实例

有线组网技术的通信质量较稳定，受空间电磁波的干扰较小，有线通信在许多监控场合得到了广泛应用，例如，煤矿安全监控系统广泛采用有线网络，下图2.1为煤矿安全监控系统广泛采用的网络架构[22,23]，煤矿安全监控系统传感器信息采集和控制输出大量采用有线网络，下图2.1所示的监控系统可分为四个部分：

1、控制中心；2、信息传输层；3、信息采集；4、控制输出。

煤矿监控系统传输网络采用的多级分层结构：

信息传输层采用光纤以太环网，信息采集部分采用了控制箱、监控分站和传感器三者构成的分层结构。

煤矿监控系统信息传输层采用光纤以太网的组网方案，配置1000M工业以太环网，中间某点断开后依然能保证网络正常运行；信息采集部分广泛采用RS485通信，监控分站和控制箱以及监控分站和传感器之间均采用RS485通信，某公司一路RS485总线最多支持64台监控分站，满足煤矿监控系统的需求。

图2.1有线组网技术在煤矿监控系统中的应用

3.常用无线组网技术分析

常用的无线通信方式有GPRS通信、第四代移动通信技术和ZigBee通信等。

GPRS通信：

GPRS（通用分组无线服务技术）是GSM网络基础上发展而来的一项数据通信服务。

GPRS采用分组交换技术，与GSM网络电路交换相比，GPRS更适合数据交换。

GPRS网络数据传输速率满足一般使用要求，且成本低廉、覆盖范围广，当前对GPRS通信在监控系统中的应用研究相当广泛，例如文献[25]、[26]。

文献[25]采用GPRS网络构建水质检测系统，多参数传感器将数据通过GPRS网络传到监控中心；文献[26]设计了多点温度监测系统，实现了城市温度监测。

第四代移动通信技术：

该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。

4G网络传输速度快，速率可达到20Mbps，甚至最高100Mbps。

目前4G技术已经成熟，但价格昂贵，4G信号尚未在全国达到全覆盖。

ZigBee技术：

ZigBee是近几年发展起来的近距离无线通信技术，它的特点是功耗低、成本低、传输速率低。

ZigBee网络通常由3个节点组成：

协调器节点、路由器节点和传感器节点，传感器也称为终端设备。

协调器用于创建一个ZigBee网络，并为节点分配地址，每个ZigBee网络只需一个协调器。

路由器为ZigBee网络的全功能节点，用于转发数据，起到路由的作用。

一个ZigBee最多支持64000个网络节点，可见其容量较大[27]。

ZigBee具有低功耗、低传输速率、传输距离短的特点，其广泛应用于节点密集且距离较近的场合，例如，塑料大棚测温和控制等环境监测项目。

4.无线组网技术应用实例

GPRS网络具有诸多优势，广泛应用于远程监控系统中[28~31]，下图2.2为文献[28]设计的电梯远程监控系统结构图，该系统包括数据采集终端、GPRS模块和监控中心。

采用的无线传输网络为GPRS网络，数据采集终端通过CAN总线访问获得安装在电梯内的传感器数据，然后将相应的数据通过GPRS网络发送到监控中心，实现了对电梯的远程监控。

图2.2无线组网技术电梯监控应用实例

1.1.2传感器输出信号类型分析

图2.1所示的煤矿安全监控系统传感器和监控分站采用RS485通信，图2.2中的电梯监控系统传感器与数据采集终端采用CAN总线方式连接。

本节分析传感器和监控终端常用的信号传输方式，并分析传感器常用信号类型的优缺点和应用场合。

5.模拟量传输

电压型信号输出：

指传感器的输出信号为电压量，例如，热电偶温度传感器，使用两种不同的金属按照一定工艺结合在一起，当其所受温度变化时两块金属产生不同的电动势，形成了电压差，电压的变化反映了温度的变化。

电压型信号随传输距离的增大而衰减，且易受干扰，不适合远距离传输。

电流型信号输出：

为解决电压量在传输时幅值衰减和易受环境干扰的问题，远距离传输一般不使用电压而使用电流来传输信号[35]，其中4-20mA电流传输为业内广泛应用的标准，文献[1]和文献[3]采用输出制式为4-20mA电流环传感器，监控终端主板将电流信号转换成电压信号，接入单片机的ADC接口，处理后得到气体浓度值。

电阻型：

电阻型传感器将被测量转换为电阻值，例如，铂电阻温度传感器，温度变化时其电阻发生变化。

6.数字量传输

数字信号：

数字信号通过通信协议能实现双向复杂的通信，上述两种信号传输均不具备这种功能。

数字信号传输还具备以下优势：

1、可以制定通信协议，引入数据冗余使通信可靠。

2、接口标准化，方便系统维护和升级。

常见的数字传输方式有RS485和UART等，RS485是半双工通信，采用差分信号传输，抗干扰能力强，适合远距离传输；UART串口为全双工通信，抗干扰能力较弱，适合近距离传输。

7.频率型输出

这种信号处理方式是将气体浓度值的变化转换为信号频率的变化，频率信号一般为方波，频率量的输出和采集在单片机的控制下容易实现且成本低廉，频率信号抗干扰能力强，因此，煤矿安全监控系统的传感器和数据采集分站大量使用200-1000Hz的频率信号作为传输制式，很少使用工业传感器的4-20mA标准信号或者其它传输制式[34]。

8.开关量

开关量输出型传感器的输出为固定的开关型信号，分为触点式和无触点式，触点式是指机械式的开关传感器，通过机械动作来实现触点的导通和断开；反之，无触点式开关量传感器内部没有机械触点，例如，热敏电阻式传感器，当它吸收到周围热辐射时，温度升高，使导电率发生变化，从而使电路断开。

电热毯中应用的热敏电阻式传感器，当电热毯温度到达一定值后电路断开，保证电热毯使用安全。

1.2地下管网气体危险源监控系统整体设计

本节首先分析地下管网气体危险源监控系统在城市数字化管理系统中的功能定位，结合数字化城市管理系统和重庆地方标准，然后确定了地下管网气体危险源监控系统整体设计方案。

1.2.1地下管网气体危险源监控系统分析

本文设计的地下管网气体危险源监控系统是数字化城市管理系统的组成部分，城市数字化管理将信息技术应用于城市管理，并形成一套完善的管理机制，其主要目的是建立现代城市管理结构，快速、准确地处理城市居民面临的问题，构建一个和谐有序、快速高效、安全和可持续发展的城市。

地下管网气体危险源监控系统和居民生活息息相关，本系统应具有接入数字化城市管理平台的功能，并满足数字化城市管理平台相关规定。

文献[32]是重庆地方标准，该标准对下水道及化粪池危险源监测预警系统做了技术规范和要求，规定系统结构图如下图2.3所示。

系统分为五部分：

1、监控终端；2、监控分中心；3、监控中心；4、区（县）数字化城市管理平台；5、市级数字化管理平台。

系统组网方案规范如下：

1.若干监控终端组建为独立的监控系统；

2.一个监控中心和若干监控分中心或与若干监控单元构建独立的监控系统；

3.独立的监控系统通过规范的接口接入区（县）数字化城市管理平台。

图2.3数字化城市管理平台系统架构示意图

地下管网气体危险源监控系统是数字化城市管理系统的重要子系统，系统兼容性和可扩展性显得尤为重要；监控终端工作于城市地下管网，环境条件恶劣，对监控终端稳定性和抗干扰性要求较高。

设计时应充分考虑上面的困难和技术难点，本文重点即围绕监控终端可扩展性和可靠性展开。

1.2.2地下管网气体危险源监控系统结构设计

本章2.1节分析了安全监控系统常用的组网技术和传感器的信号输出类型，2.2.1节分析了本系统在数字化城市管理系统中的定位，并对本系统提出了基本建设要求。

本节在前文的研究基础上，采用GPRS无线通信、气体检测、计算机、自动控制等技术，设计了新型的地下管网气体危险源监控系统，系统整体设计方案如下图2.4所示，本系统包括监控中心、传输网络和监控终端三大部分。

监控中心包括WEB服务器、数据库服务器、监控主机、热备份主机和手机客户端等便携设备。

传输网络采用GPRS网络。

监控终端安装到地下管网现场，实现现场气体浓度和环境温度等参数的监测。

下面结合监控终端、传输网络和监控中心分析各个子系统功能。

图2.4系统整体方案设计

9.监控终端与气体传感器

监控终端完成环境温度、危险气体浓度等参数的采集和分析，结合本章2.1.2节的分析，监控终端应充分考虑传感器接口类型，预留多类型传感器接口；预留多类型输出接口，用于对外部设备的控制。

本监控终端与气体传感器的信号传输方式采用数字传输，数字传输有诸多优点：

4.数字传输使传感器、监控终端、监控中心三者之间实现独立通信，能对传感器进行远程升级、远程标校等操作；

5.数字传输使接口统一，不同气体的传感器均可接到监控终端主板上，只需制定好相应的传感器ID号和相关通信协议即可；

6.传感器容易老化需要定时更换，数字传输方式使传感器和监控主板独立，方便后期维修和更换。

10.传输网络

本章2.1.1节分析了安全监控系统常用的组网方案，GPRS网络具有如下明显优势：

7.GPRS通信基于移动公网，可节约建设成本，缩短建设周期；

8.GPRS通信技术成熟且性价比高，其数据传输速率最高可达171.2Kb/s，通信传输时延较小，最长不超过3秒；

9.信号覆盖范围广，系统规模扩展容易；

10.GPRS网络稳定性好。

本系统只需检测气体浓度和相关环境参数即可，传输数据量小，对通信速率要求不大；地下管网气体危险源监测点分散，且安装地区多为偏僻地区，造成有线网络施工不便。

GPRS网络经济可靠，为本系统最佳组网方案选择。

11.监控中心

监控中心包括Web服务器、数据库服务器和监控主机及显示墙等。

监控中心主要实现显示浓度信息和监控终端状态信息，实现对监控终端的管理。

监控中心采用C\S、B\S和手机APP相结合的方案，充分发挥网络资源和手机资源，使系统更灵活、兼容性更好。

C\S即客户机和