基于 ZigBee的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：目前設(shè)計(jì)的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較低，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)。為了解決上述問題，基于 ZigBee 設(shè)計(jì)了一種新的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件。系統(tǒng)硬件選用了 SIMENS公司生產(chǎn)的 Ultramat 23經(jīng)濟(jì)型多組分 NDIR 紅外氣體分析儀，能夠更好地適應(yīng)高原地區(qū)，應(yīng)用 PIC16F877A 單片機(jī)提高傳輸速率，通過 SPC3 完成數(shù)據(jù)通信。利用 PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，引入 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)軟件工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效提高監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確率，降低監(jiān)測(cè)時(shí)間。

　　關(guān)鍵詞：ZigBee;高原地區(qū);燃油煙氣;排放監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　郭永謙 電子設(shè)計(jì)工程 2022-01-05

　　目前，燃油電廠煙氣排放自動(dòng)循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)建成，基本實(shí)現(xiàn)了燃油煙氣電廠重要污染源排放情況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，但由于高原地區(qū)具有海拔高、氣溫低、輻射強(qiáng)、降水少、風(fēng)力強(qiáng)等氣候特點(diǎn)，因此燃油煙氣排放更加困難[1] 。原有建成的排放系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)保障、自動(dòng)循環(huán)監(jiān)控、數(shù)據(jù)維護(hù)更新等方面存在的問題逐漸暴露出來(lái)，上述問題很有可能造成更大范圍的污染，對(duì)人類的生產(chǎn)生活造成較大的影響。環(huán)保部門要求條件好的省市安裝燃油煙氣排放自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)排放過程中產(chǎn)生的污染物，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)排放處理產(chǎn)生的重要過程參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一記錄，并且建立與此相關(guān)的模型，對(duì)治理燃油煙氣排放過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)它的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析[2-4] 。

　　傳統(tǒng)的燃油煙氣監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控整體性能上存在問題，尤其是解決高原地區(qū)海拔過高問題的能力較差。綜上所述，該文基于 ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的高原地區(qū)燃油煙氣排放系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件以及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　文中設(shè)計(jì)的基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由傳感器、處理器、通信器三部分組成，系統(tǒng)硬件的組成結(jié)構(gòu)如圖 1所示[5-6] ?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的智能站通過 ZigBee 接口電路與總機(jī)相連接，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)由智能從站的處理器處理后通過 ZigBee 總機(jī)上傳給控制現(xiàn)場(chǎng)的 PC，控制現(xiàn)場(chǎng)的 PC 通過處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成圖形信息，并最終顯示出來(lái)。控制現(xiàn)場(chǎng)的 PC 通過事先擬好的數(shù)據(jù)協(xié)議使以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的 PC 形成實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，以此進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控[7-9] 。

　　1.1 傳感器傳感器模塊如圖 2所示[10-11]

　　根據(jù)圖 2 可知，傳感器模塊通過采樣探頭采集殘存的燃油煙氣，然后利用模塊傳輸通道將燃油煙氣樣品傳輸?shù)饺加蜔煔夥治鱿到y(tǒng)，進(jìn)而來(lái)分析燃油煙氣所產(chǎn)生污染物的濃度，如果濃度過高，可通過紅外氣體分析儀進(jìn)行降解直至濃度正常。燃油煙氣測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)量煙氣流量，再結(jié)合煙氣濃度算出燃油煙氣排放污染物的總量[12-13] 。

　　1.2 處理器

　　系統(tǒng)處理器模塊采用中央處理器PIC318F87單片機(jī)，完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，經(jīng)中央處理器處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至外部擴(kuò)展 Flash 存儲(chǔ)器，完成數(shù)據(jù)更新[14-15] 。

　　1.3 通信器

　　通信器模塊如圖 3 所示，通信器電路圖如圖 4 所示。通信器采用 SKRO3，它是一種基于 ZigBee 總機(jī)的智能化探頭芯片，里面的存儲(chǔ)區(qū)存有較為完整的 PD 器，包括遠(yuǎn)程寄存器、動(dòng)態(tài)寄存器、狀態(tài)寄存器、流通寄存器，各種各樣的緩沖器以及緩沖樣品。它們位于可調(diào)節(jié)的緩沖區(qū)里，方便記錄在通信過程中產(chǎn)生的集成樣品以及樣品數(shù)據(jù)。它的內(nèi)部存有 2 kB 的 WAM，帶有 6 位樣碼，中間有 5 個(gè)連接端，供各種緩沖器進(jìn)行連接使用。存儲(chǔ)器分為 200 段，每段包含 10 個(gè)字節(jié)，使用者可以立刻尋址，這種通信器支持所有傳感器和處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　對(duì)比單片機(jī)與其中心軟件結(jié)合的方法，將協(xié)議芯片與單片機(jī)相結(jié)合，能夠大大減少通信控制狀態(tài)體系的內(nèi)部程序。ZigBee 通信協(xié)議附加于 SRE3 中，可由集成電路得以實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行這個(gè)方案的過程中，單片機(jī)把處理器處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給 SRE3， SRE3 根據(jù)內(nèi)部通信工程事先嵌入的協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送到 ZigBee 總線上。SRE3 從 ZigBee 總線上采集數(shù)據(jù)并放入接收區(qū)，接收的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。終端控制系統(tǒng)通知單片機(jī)從接收區(qū)取走并記錄數(shù)據(jù)，智能從站通信軟件是單片機(jī)與 SRE3數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。開發(fā)智能從站通信軟件是比較艱辛且復(fù)雜的過程，采用 C 語(yǔ)言混合編程方法，為智能從站通信軟件的順利編程提供便利，大大提高了開發(fā)效率和運(yùn)行速度[16] 。系統(tǒng)軟件流程如圖 5所示。

　　在編寫數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件時(shí)，由于未在電路中集成 ZigBee通信模塊，因此須根據(jù) ZigBee總線協(xié)議采用 C 語(yǔ)言二級(jí)編程進(jìn)行編寫。由于 ZigBee 通信接口與轉(zhuǎn)換接口嵌入了專用的通信協(xié)議，其運(yùn)行成本會(huì)有所提高，但由于終端接口中的 PC 協(xié)議，在編寫 DP 中心 控制軟件時(shí)，不需要采用 C 語(yǔ)言二級(jí)語(yǔ)言編程編寫，其發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)都可由傳輸通道中的單片機(jī)來(lái)自動(dòng)完成，既節(jié)約了運(yùn)行成本，又節(jié)省了編寫中心程序軟件的時(shí)間，因此該系統(tǒng)采用前者連接方式。

　　3 實(shí)驗(yàn)研究

　　為了驗(yàn)證文中提出的基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)基于可編程控制器的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于 CAN 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。監(jiān)控準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。

　　根據(jù)表 1 可知，基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率要高于傳統(tǒng)系統(tǒng)準(zhǔn)確率。監(jiān)測(cè)耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6所示。

　　多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)耗時(shí)更短，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的監(jiān)控任務(wù)。文中提出的系統(tǒng)通過 ZigBee 完成數(shù)據(jù)通信，通過 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)現(xiàn)信息交互，從而更加安全可靠地完成監(jiān)測(cè)。燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以保存3年以上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排放數(shù)據(jù)，并且能搜索、顯示以及打印各種圖文報(bào)表。長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)方便，測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、成本低，對(duì)于控制高原地區(qū)燃油煙氣排放起到了重要作用。

　　綜上所述，基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控能力更強(qiáng)，監(jiān)控效果更好，更加適用于實(shí)際應(yīng)用。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　基于 ZigBee 的高原地區(qū)燃油煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是采集高原地區(qū)燃油煙氣排放過程中產(chǎn)生的污染物排放數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)的高原地區(qū)燃油煙氣排放污染物的數(shù)據(jù)參數(shù)以及真實(shí)情況，并指導(dǎo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制燃油煙氣污染物的排放。環(huán)保部門就可以掌握高原地區(qū)燃油煙氣排放情況，由于高原地區(qū)海拔高，氣候特殊，工作人員采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)較困難，文中提出的系統(tǒng)大大降低了工作人員采集高原地區(qū)燃油煙氣排放數(shù)據(jù)的難度，提高了在運(yùn)營(yíng)維護(hù)、自動(dòng)循環(huán)監(jiān)控、實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)更新維護(hù)等方面的工作效率。