基于PIC單片機的低功耗供熱檢查井泄漏防盜報警系統*

1 引言

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展,集中供熱以其節約能源、減少污染、方便人民群眾生活的綜合性經(jīng)濟、環(huán)境和社會(huì )效益,的優(yōu)勢逐漸取代了小鍋爐,特別是20世紀90年代以來(lái),在全國各地政府的支持下得到了飛速的發(fā)展,在城市基礎設施中發(fā)揮越來(lái)越大的作用,隨著(zhù)管網(wǎng)范圍的延伸,管網(wǎng)檢查井的數量也成倍的增長(cháng),在供熱管網(wǎng)的檢查井中,一般安裝有閥門(mén)、減壓器、補償器等管件及其保溫層。隨著(zhù)供熱介質(zhì)溫度的變化,管道就會(huì )發(fā)生膨脹和收縮,從而產(chǎn)生應力,該應力一般靠補償器的伸縮來(lái)釋放,由于供熱介質(zhì)溫度變化的比較頻繁造成管道一直處于收縮伸長(cháng)的變化中,所以補償器是熱網(wǎng)的易損部件,另外檢查井中的閥門(mén)由于長(cháng)期處在潮濕環(huán)境中,極易被腐蝕發(fā)生泄露的機會(huì )也很大,如果檢查井中的部件發(fā)生長(cháng)時(shí)間泄露無(wú)論對居民小區的供暖還是對一級管網(wǎng)的正常輸熱都會(huì )產(chǎn)生很大的影響,甚至會(huì )損壞檢查井的建筑結構,所以對檢查井內部進(jìn)行泄露檢測并及時(shí)報警是非常有必要的[1]。

2 檢測原理

圖1 檢查井內部結構圖

一般檢查井內部結構圖如圖1,最容易發(fā)生損壞的部位就是圖中所標的1~4四個(gè)彎頭,它們所承受的變形應力最大而且高壓水對他們的沖擊也是最大的[2]。所以在這四個(gè)部位各安裝兩個(gè)溫度傳感器,檢測保溫材料內外的溫度,根據保溫材料的熱傳導特性?xún)韧獾臏夭钊绻^(guò)于接近說(shuō)明供熱介質(zhì)已經(jīng)滲透保溫層。另外在檢查井的最下端安裝液位開(kāi)關(guān),如果是其他部位泄露當水位超過(guò)液位開(kāi)關(guān)報警線(xiàn)時(shí)表示檢查井內已經(jīng)積水應該進(jìn)行檢查。對于野外檢查井井蓋和閥門(mén)經(jīng)常失竊,給供熱網(wǎng)絡(luò )的正常運行造成極大威脅。所以在井蓋安裝防盜開(kāi)關(guān),在未經(jīng)備案的情況下井蓋被打開(kāi)就可認為被強制打開(kāi)。單片機通過(guò)GPRS模塊向監控中

心發(fā)送泄露或者井蓋被盜信息,監控人員就可以根據信息的內容進(jìn)行搶修。

3 硬件設計

系統以微芯公司的超低功耗單片機PIC24F16KA102為控制芯片,在僅開(kāi)啟RTCC功能同時(shí)將所有IO口設置成高阻狀態(tài)時(shí)實(shí)測功耗小于300nW,實(shí)現整個(gè)系統在鋰電池供電的情況下低功耗長(cháng)時(shí)間運行。系統的其他部分在不工作時(shí)幾乎不耗電,所以在待機狀態(tài)下整個(gè)系統的功耗都會(huì )小于300nW。測溫元件采用DS18B20,系統總體框圖如圖2。

圖2 系統總體框圖

3.1 檢測部分電路設計

檢測部分包括液位開(kāi)關(guān)、防盜開(kāi)關(guān)、測溫系統三部分,液位開(kāi)關(guān)和防盜開(kāi)關(guān)分別與單片機的外部中斷管腳,DS18B20連接到單片機的普通IO口,電路原理圖如圖3[3]。單片機可以由外部中斷1、2從休眠狀態(tài)中喚醒,表示液位開(kāi)關(guān)閉合或者防盜開(kāi)關(guān)閉合。而單片機還可以利用RTCC功能定時(shí)喚醒檢測溫度傳感器的溫度判斷管道是否發(fā)生泄露[4]。

圖3 檢測部分電路原理圖

3.2 GPRS模塊部分電路原理圖

圖4 單片機與GPRS模塊接口

在系統檢測到泄露之后,需將泄露信息傳輸到遠程服務(wù)器,系統利用GPRS模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將編碼的泄露信息傳入遠程監測服務(wù)器中,實(shí)現閥井的實(shí)時(shí)監測。模塊選用的是Quectel-M10,在模塊中自帶TCP/IP協(xié)議,兼容AT指令集,可由外部管腳控制模塊的開(kāi)關(guān),而且正常工作時(shí)功耗低,延長(cháng)鋰電池的使用時(shí)間。單片機與GPRS模塊的接口電路圖如圖4。

4 軟件設計

圖5 系統程序流程圖

系統軟件程序主要由RTCC定時(shí)程序、溫度檢測程序、外部中斷喚醒程序、數據打包發(fā)送程序組成,程序進(jìn)行初始化后首先對外部設備進(jìn)行巡檢,確認所有設備工作正常且沒(méi)有泄露后就啟動(dòng)RTCC定時(shí)并進(jìn)入待機狀態(tài)以節省電池電量,一旦液位開(kāi)關(guān)或者防盜開(kāi)關(guān)被觸發(fā),單片機就被喚醒,啟動(dòng)GPRS模塊將信息打包后發(fā)送到服務(wù)器端,在沒(méi)有外部中斷觸發(fā)的情況時(shí),單片機由RTCC定時(shí)器定時(shí)喚醒對外不檢測設備進(jìn)行巡檢,如果發(fā)現泄漏情況同樣啟動(dòng)GPRS模塊對信息打包發(fā)送,程序流程圖如圖5。

表1 數據包格式

在打包發(fā)送數據時(shí),為讓服務(wù)器端能正確的解讀出數據包包含的泄露信息、發(fā)生泄漏的檢查井編號必須對數據格式進(jìn)行規定,首先是包頭,然后是手機號碼用來(lái)區分井號,然后依次是泄露信息、校驗數據和包尾。具體格式如表1。

圖6 上位機報警界面

圖7 設備在線(xiàn)監測界面

服務(wù)器端接收到數據后,按照約定的格式進(jìn)行解包,同時(shí)進(jìn)行聲光報警,這樣就實(shí)現了閥井泄露的實(shí)時(shí)監測。圖6、7就是上位機檢測軟件報警和設備在線(xiàn)情況的界面。

5 結束語(yǔ)

本系統利用超低功耗單片機PIC24F16KA102為主控芯片,利用溫度傳感器、液位開(kāi)關(guān)和防盜開(kāi)關(guān)對供熱檢查井的泄露情況進(jìn)行及時(shí)的檢測,同時(shí)對惡意打開(kāi)井蓋的情況進(jìn)行檢測,并可以將信息及時(shí)傳輸到遠程服務(wù)器,實(shí)現檢查井的實(shí)時(shí)監測,對檢查井泄露只能靠事故發(fā)生后造成的影響進(jìn)行判斷的方法提供的一個(gè)全新的解決方案,最大化的減小了經(jīng)濟損失,為提高管網(wǎng)的自動(dòng)化檢測水平發(fā)揮了重要作用,本系統已經(jīng)在現場(chǎng)進(jìn)行應用,檢測和防盜效果非常好,具有很大的發(fā)展前景。