基于VB的泄漏在线监测系统设计.pdf

第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.21，No.8Aug.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology基于VB的泄漏在线监测系统设计刘胜a,b，侯钰龙a,b，张会新a,b，郭小烨a,b，康丁未a,b(中北大学 a.电子测试技术国家重点实验室；b.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)摘要：由于不规则复杂狭小空间微小渗漏难以测量，急需一种便于安装、痕量级测量、快速应答、精准定位的在线监测系统。本文设计了一种基于 Visual Basic(VB)的泄漏在线监测系统，总节点以 XC6SLX16-3CSG324I 为主控芯片，子节点以 STM32F103C8T6 为硬件电路的主控芯片，微系统(MEMS)金属氧化物传感器 Ccs811、Bmp180、Si7021 构成数据采集电路。采集电路采用柔性电路技术，以适应狭小空间贴装，便于监测；被测泄露工质可以是纯粹的气体或含有某些挥发性物质的液态。实验结果表明，该系统可实现非接触式测量、快速传感、精确定位，并可测量到挥发性有机化合物(VOC)气体浓度为 ppb 量级，实现痕量级渗漏测量。关键词：传感器；现场可编程门阵列；挥发性有机化合物气体；泄漏监测中图分类号：TN919.6 文献标志码：Adoi：10.11805/TKYDA2021069Design of leakage online monitoring system based on VBDesign of leakage online monitoring system based on VBLIU Shenga,b，HOU Yulonga,b，ZHANG Huixina,b，GUO Xiaoyea,b，KANG Dingweia,b(a.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology；b.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China)AbstractAbstract：There is an urgent need for an online monitoring system that is of trace-level measurement,fast response,precise positioning and being easy to install,because it is difficult to measure small leaks in irregular,complex and narrow spaces.An online monitoring system is designed in this paper.The total node uses XC6SLX16-3CSG324I as the main control chip,and the child nodes use STM32F103C8T6 as the main control chip in the hardware circuit.Microelectro Mechanical Systems(MEMS)metal oxide sensors Ccs811,Bmp180,and Si7021 constitute the data acquisition circuit which adopts flexible circuits technology to adapt to small space placement and easy monitoring.The tested leaking working fluid can be pure gas or liquid working fluid containing some volatile substances.Experimental results show that the system can achieve non-contact measurement,fast sensing,and precise positioning.And the gas concentration of Volatile Organic Compounds(VOC)can be measured below 100 ppb,realizing the trace level measurement.KeywordsKeywords：sensor；Field Programmable Gate Array(FPGA)；Volatile Organic Compounds gas；leakage monitoring气体或者含有某些挥发性物质的液态工质储存和运输已经普遍运用在当下生产生活中，如煤气、储气罐、输气管道、飞机和航天器冷却液等。它们在生产、运输和储存过程中，一旦出现人为疏忽或设备老化的情况，则极有可能出现泄漏；若没有及时发现，会造成巨大的经济损失。如果泄漏的是化工气体等有毒有害气体，可能会对周围环境及其生态平衡造成严重的破坏或影响，甚至危害人民的生命财产安全1-2。传统监测方式需要人员进入泄漏区域，监测人员生命安全得不到有效保障3。此外还有巡检机器车、视频监控等方式，但巡检机器车造价昂贵、气体辨识度低等4，不能准确监测到痕量级泄漏。尤其是在一些不规则的复杂狭小空间内，以上监测方式受到了限制，达不到理想的监测效果。因此，监测方案急需多元化发展5。本文基于 Visual Basic(VB)，设计出一种便于安装、痕量级测量、快速应答、精准定位的在线监测系统。文章编号：2095-4980（2023）08-1043-06收稿日期：2021-02-09；修回日期：2021-05-08基金项目：装备预研领域基金资助项目(61400030601)太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷1系统总体方案设计本系统共分为子节点、总节点、智能高速总线、上位机 4 部分。子节点由传感单元、微控制单元(Micro Control Unit，MCU)主控、485 总线 3 部分组成；总节点由主控单元、485 总线、智能高速总线接口 3 部分组成。每个总节点单元可挂载 24 个子节点单元，可扩到 48 个子节点单元。总节点和子节点之间通过 RS-485 总线实现数据传输，上位机和总结点之间通过智能高速总线实现数据通信。系统总体框图如图 1 所示。现场可编程门阵列(FPGA)具有体积小，集成度高和接口资源丰富的特点，有利于实现电路小型化设计6。本文总节点单元选用 XC6SLX16-3CSG324I 为主控芯片，该芯片内核电压为 1.2 V，外部端口电压为 3.3 V，共有232 个可用的 I/O 口，能够满足 24 路传感器的通信需求；同时内部资源丰富，有 14 579 个系统门，可以满足各个功能模块逻辑设计使用。ISO1176T 为 RS-485 总线芯片，该芯片通信速率可达 40 Mbps7，可挂载 128 个节点，供电电压 3.3 V。子节点单元 MCU 选用意法半导体的 STM32F103C8T6 处理器，该处理器优势在于低功耗、低成本、高性能8，具有 32 位微控制器，程序存储器容量为 64 kB，电压 23.6 V，工作温度-4085。其总线宽度为32 位，数据转换器为 A/D10 x12b，封装/外壳为 48-LQFP。系统监测的关键在于传感器和数据传输技术9。本系统气体传感器选用金属氧化物半导体气体传感器Ccs811，压力传感器选用高精确度数字压力传感器 Bmp180，温湿度传感器选用 Si7021。三者均通过 IIC 总线将测量结果的数字信号发送给微控芯片 STM32F10310。由于泄漏会使漏点附近的总有机挥发物含量增加，同时该测量值也受到空间内部的温度、湿度和气压变化影响，因此本文针对上述 4 个参数同时进行测量，提高监测准确度。最终，通过对传感器检测到的多参数数据进行动态分析，从而实现泄漏或渗漏的监测。上述选用的传感器体积均很小，满足狭小空间内使用和贴装要求。子节点采用柔性电路技术，尺寸为 4.5 cm3 cm，便于贴装固定在不规则复杂狭小空间内。子节点传感单元实物图如图 2 所示。2软件设计2.1 通信协议设计总节点和子节点的工作方式采用轮询方式。子节点等待总结点发命令，收到命令后判断是否为自己的地址，若是，则把采集的数据传到总节点；若不是，则继续等待，接收命令判断，一直判断到为自己的地址后，上传数据，然后继续开始下一轮。24 个子节点传感器的地址采用十六进制分别编号，为了避免子节点上传数据被兄弟节点误判为地址，引起命令与数据的错乱，首先在总节点给子节点发送命令时，在命令前加帧头 EB90；其次给传感器编址时，从 0 xC5 开始，每个子节点传感器地址加 0 x5，到 0 x138，共 24 个传感器。总节点和子节点通信程序流程如图 3 所示。本系统中，单个测点一次测量的数据信息用 16 个字节表示。数据帧结构定义如表 1 和表 2 所示。.master nodeTPS70345ISO1176TCCS811STM32child node 1Si7021BMP180AMS1117ISO1176TRS485IICIICIICchild node 24 SI7021BMP180ISO1176TIICIICIICSTM32AMS1117CCS811intelligent high-speed bus XC6SLX16-3CSG324Iupper computerFig.1 Overall block diagram of the system图1 系统总体框图Fig.2 Physical diagram of child nodes图2 子节点实物图1044第 8 期刘胜等：基于VB的泄漏在线监测系统设计2.2 上位机设计程序流程上位机主程序由发送命令、读取数据、数据处理、显示报警等流程组成，上位机主程序流程图如图 4 所示。报警子程序按照判断气体浓度范围，使圆圈显示不同的颜色实现报警功能。2.3 上位机设计上位机使用 VB 编写，根据标定的低位和高位阈值对下位机传回的数据进行比较和计算。上位机软件各行列圆圈为对应传感单元的指示图标，通过图标颜色变化感知环境 VOC 气体浓度变化，从而实现泄漏点的可视化监测，同时还可以显示当前环境中CO2气体浓度、温度、湿度与气压状况。上位机操作界面如图 5 所示。点击设置弹出设置窗口，改写需要变动的数值后点击确定按键。其中起始位、数据位、停止位、波特率为定值，无需改写，改写后无记忆功能；串口号、阈值高、阈值低可根据实际需要进行改写，可记忆。图 6 所示为上位机设置窗口，本文根据实际环境中背景噪声等因素，设置阈值低浓度为 150 ppb，阈值高浓度为 300 ppb。点击开始按键进行实时监测，泄漏点为当前传感器中 VOC值高于高阈值的个数，温度、湿度与气压为当前传感器测量值的均值。圆形矩阵为状态示意图，与传感器一一对应。当鼠标置于指示图标上时，右上方方框显示传感器的位置(行、列)。指示图标颜色设计为：白色表示传感器未开始检测；绿色表1 数据帧结构前8个字节定义表Table1 Data frame structure of the first 8 bytes of the definition tableByte1frame header AAByte2frame header AFByte3sensors address highByte4sensors address lowByte5CO2 address highByte6CO2 address lowByte7VOC address highByte8VOC address low表2 数据帧结构后8个字节定义表Table2 Definition table of last 8 bytes of data frame structureByte9temperature address highByte10temperature address lowByte11humidity address highByte12humidity address lowByte13barometric address highByte14barometric address lowByte15frame end FAByte16frame end FBstart reading datasend read commandwhether the return command is receivedread data and write to filewhether the packet frame header is receivedwhether to receive the end of the packet frameprocess data and display resultswhether to process to the end of the packet framewhether to click the stop buttonstop reading dataread data and write to fileNYNYNNYYNYFig.4 Main program flow of upper computer图4 上位机主程序流程图startwhether the command is its own addresschild nodes sends datamaster node receives dataNYmaster nodesends commandschild nodesreceive commandschild node determines Fig.3 Flow of the communication between total node and sub-node图3 总节点和子节点通信程序流程Fig.5 Operation interface of upper computer图5 上位机操作界面1045太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷表示当前传感器 VOC 值低于阈值低；黄色表示当前传感器 VOC 值高于阈值低但低于阈值高；红色表示当前传感器 VOC 值高于阈值高，即为泄漏点。3系统测试及结果分析3.1 系统测试本文用 55 的屉式结构模拟实际情况中的复杂狭小空间，每屉的尺寸为 10 cm10 cm，每屉之间用亚克力板间隔，形成相对密闭的空间。用 65号冷却液作为实验溶液，65 号冷却液中含有微量乙二醇，用于验证本系统可监测痕量级泄漏，测量系统实物图如图 7 所示。上位机未开始监测时，圆圈为白色，如图 8 所示，为上位机主界面(a)。图 9 为上位机主界面(b)，因 VOC 气体浓度未超过设置的阈值，圆圈显示绿色。用 30 ml 注射器取 65号冷却液，滴入 1-2(表示第 1 行，第 2 列)屉内 3 滴，模拟工质泄漏。图 10为上位机主界面(c)，1-2 圆圈显示红色，表示该点对应的传感器检测到发生泄漏。图 11 为上位机数据回读界面，该图可读出所有测点 30 s 时各测点的 VOC 气体浓度值和CO2浓度值。图中方框内红色数值为 VOC 气体浓度值，黑色数值为CO2浓度值，鼠标置于某一方框上时，蓝色数字为当前位置(行、列)。从图 11 中可看到，对应的 1-2(表示第 1 行，第 2 列)VOC 气体浓度值为 625 ppb，CO2浓度值为 3 802 ppb，Fig.6 Setup window of upper computer图6 上位机设置窗口Fig.7 Physical diagram of the test system图7 测试系统实物图Fig.8 Main interface of upper computer(a)图8 上位机主界面(a)Fig.10 Main interface of upper computer(c)图10 上位机主界面(c)Fig.9 Main interface of upper computer(b)图9 上位机主界面(b)Fig.12 Changes of data points图12 数据点变化图Fig.11 Data reading-back interface of upper computer图11 上位机数据回读界面1046第 8 期刘胜等：基于VB的泄漏在线监测系统设计明显高于其他点的浓度值，其他点的数值为背景噪声，从该图中也可以看出该点处发生泄漏。点击上位机主界面任意圆形示意图，可观察数据点变化，如图 12 所示，可观测该点 VOC 气体和CO2气体浓度数据的变化折线图。该图为 1-2 圆圈的数据点变化图，上图为 VOC值折线图，下图为CO2值折线图，方框内最下方黑色横线为 0 ppb 数值线，黄色横线为阈值低 150 ppb 数值线，红色横线为阈值高 300 ppb 数值线。3.2 结果分析图 13 为系统实测数据图，该图为系统测试 30 s 的数据图，为十六进制显示。从图中可以看出 24 个测点的传感器地址、CO2浓度、VOC气体浓度、温度、湿度、气压等数据。将图中数据转化成二进制数，分析图中数据可知，地址为 0 x00CA 传感器的 CO2浓度为 3 869 ppb，VOC 气体浓度为 640 ppb，温度为 26.0，湿度为 21.0%RH，气压为91.90 kPa。对比其他传感器数据，可得出该点对应的屉内发生泄漏。本文用 30 ml 注射器注射 3 滴 65 号冷却液在 1-2 屉内，模拟工质泄漏。采 用 Honeywell-PGM7340 手 持 式 气 体 检 测 仪 检 测 VOC 气 体，YIOU-DW476-3 手持式检测仪检测温湿度、气压值作为第三方检测，检测结果作为标准值，与本系统实际测量结果做对比。表 3 为标准值，表 4 为系统实测值。由于 Honeywell-PGM7340 手持式气体检测仪工作原理为自吸式，测试得到的 VOC 气体浓度值相对较高。当时间为 0 s 时，即未开始测量时的值为背景噪声，不同环境，其对应的上述各项值有所不同。由于表 4 中的温湿度取值为系统所对应的测量时间的瞬时值，因此小数点后数值为 0，上位显示界面会取 10 次测量值做均值滤波，处理后的数值再显示到上位机前面板上所对应的位置。对比表 3 和表 4 的数据可知，本系统可靠性高，传感快速，对泄漏源敏感，可以快速做出应答，实现泄漏、渗漏的在线监测。4结论本文基于 VB 设计了一种微小渗漏在线检测系统，系统总节点以 XC6SLX16-3CSG324I 为主控芯片，子节点以 STM32F103C8T6 为硬件电路的主控芯片，采用 MEMS 金属氧化物传感器 Ccs811、Bmp180、Si7021 构成数据采集电路，突破了复杂狭窄空间多功能结构异形电路布局技术，可同时在线监测 4 个参数，提高监测准确度。上位机软件使用 Visual Basic 编写，用圆圈图标的颜色变化、数据实时回读和数据点变化图等方法，实现非接触分布式监测，实时监测是否泄露，及时测量微量漏质渗漏，最大限度地减少泄漏造成的损失，提高了定位精确度，能够快速故障定位，及时检修。本系统为今后研究其他分布式微小泄漏测量检测技术提供了思路，丰富了测量方式的研究方向。参考文献：1 PERERA F.Pollution from fossil-fuel combustion is the leading environmental threat to global pediatric health and equity:表3 标准值Table 3 Standard valuestime/s0306090120VOC concentration value/ppb59710760810870temperature/25.425.525.826.126.4humidity/%RH19.922.323.725.125.7barometric value/kPa91.8791.9591.9791.9992.05表4 系统实测值Table4 Measured values of the systemtime/s0306090120VOC concentration value/ppb37640681752846CO2 concentration value/ppb4003 8694 0114 3564 501temperature/25.026.026.026.026.0humidity/%RH19.021.022.023.023.0barometric value/kPa91.8091.9091.9391.9591.96Fig.13 Measured data of the system图13 系统实测数据图1047太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷solutions existJ.International Journal of Environmental Research and Public Health,2018,15(1):16.2 OAK J,KAWG Y,HONG M,et al.A study on safety distance of toxic gas leak accident using hazard modeling programJ.Korean Journal of Hazardous Materials,2017,5(1):83-89.3 黄振荣,陈渊.便携式傅里叶变换红外多组分气体分析仪在环境应急监测中的应用研究J.环境科学与管理,2015,40(12):133-135.(HUANG Zhenrong,CHEN Yuan.Application of portable FTIR in determining multicomponent gas of environmental emergency monitoringJ.Environmental Science and Management,2015,40(12):133-135.)4 武士涛.基于云平台的有毒有害气体监测系统设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2019.(WU Shitao.Toxic and harmful gases monitoring system design based on cloud platformsD.Harbin,Helongjiang,China:Harbin University of Science and Technology,2019.)5 GUPTA P,GOYAL A,DAUWELS J,et al.Bayesian detection of leaks in gas distribution networksC/IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.Florence,Italy:IEEE,2016:855-860.6 陆长平.基于FPGA的激光引信信号处理单元设计J.太赫兹科学与电子信息学报,2015,13(6):913-916.(LU Changping.Design of signal processing unit for laser fuze based on FPGAJ.Journal 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开发.email:.张会新(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向为抗过载存储技术及动态测试技术与仪器.侯钰龙(1984-)，男，博士，高级实验师，主要研究方向为光纤传感、仪器仪表工程等.郭小烨(1995-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为仪器仪表工程.康丁未(1997-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为仪器仪表工程.1048