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基于在线PID技术的气体监测电缆故障预警系统设计

2025-06-09 70 上传者：管理员

摘要：电缆绝缘材料通常含有聚合物或橡胶等有机物，在长时间使用后会逐渐释放出挥发性有机气体（VOC），大多数VOC气体易燃易爆，浓度过高会引发电缆隧道内火灾和爆炸事件，进而导致电缆故障。为实现对电缆隧道内VOC气体的在线实时监测，本文研究了PID光离子传感器的检测原理，设计以PID光离子传感器和GD32F405RGT6芯片为核心的在线PID气体监测电缆故障预警系统，并详细阐述了预警系统的组成，主要包括单片机最小系统、气体采样电路、报警模块，串口通讯模块等单元。

关键词：
GD32F405RGT6单片机
PID光离子传感器
VOC气体
在线监测
电缆输电
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根据传输的方式不同,电能的输送可大致划分为架空线缆输电与地下敷设电缆输电[1-2]｡为适应现代城市整体规划要求,中心城区架空线路逐渐减少,电缆埋地敷设逐渐成为主流模式[3-5]｡但电缆隧道由于无人整理,隧道内会出现垃圾堆积等问题,随着时间的推移,会导致甲苯､甲醛等易燃易爆或有毒的气体产生[6]｡当电缆长期处于过热状态时,会出现电击穿或自燃现象[7],加速有机物挥发,易引发火灾事故[8]｡此外,气体传感器因交叉干扰[9]及环境因素[10]导致气体数据不准确,常出现人员中毒窒息现象[11]｡因此,精准监测电缆隧道内VOC浓度对电缆安全检修有很高的应用价值｡

目前,对于VOC气体检测,PID检测方法由于具有精度高､无破坏性､响应速度快等优点[12]成为研究热点｡研究人员基于PID光离子传感器做了大量研究,陈浪等[13]以PID传感器为基础,研究设计了一款VOC气体微型检测器,其研究工作表明,PID传感器具有体积小､价格低､能耗低等优势,是目前便携检测器的首选｡周琪[14]､刘若愚[15]､郑培超[16]､郭小烨等[17]通过对PID进行研究,相继开发了一套完整的VOC检测系统,并且自主研制了适合本系统的PID传感器,最后通过实验证明,该系统能够实现对VOC气体的检测｡

然而,以上的研究只是设计了气体检测仪,只能由操作人员携带检测仪或者由安装了检测仪的巡检机器人到目标环境中才能了解其VOC气体浓度,且属于一种后知后觉的方法｡针对这一问题,本文以PID传感器和GD32F405RGT6芯片为核心,研制了在线PID气体监测电缆故障预警系统,能够实时监测电缆隧道内的VOC气体浓度,从而对电缆故障进行预警,降低电缆故障率｡

1、VOC气体监测系统控制硬件设计

VOC气体监测系统硬件主要包括VOC传感器检测单元､MCU､电源电路､时钟电路､气体采样电路､通讯模块等,如图1所示｡

图1VOC气体监测硬件系统

1.1PID光离子化传感器

本设计采用的是美国Baseline的0~2ppm量程的PID光离子传感器｡光离子传感器不会破坏待测气体的成分,经过检测的气体可以再次利用[18-20]｡

1.2MCU电路

VOC气体检测系统采用32位单片机GD32F405RGT6作为主控芯片,GD32F4系列MCU内置ArmCortex-M4内核,处理器主频高达240MHz｡该系列MCU能够支持算法复杂度更高的嵌入式应用,并具备更快速的实时处理能力,并拥有业界领先的大容量存储优势｡在电子仪器仪表及工业控制等开发中有广泛的应用｡

1.3电源电路

整机的实际功耗并不高,因此使用外置直流电源适配器,获得直流9V电源｡内部电源需供给MCU,传感器及其他接口模块及芯片使用,需要5V､3.6V､3.3V､1.8V4个直流电源｡根据传感器的规格要求,正常工作电压范围为3.3V±0.3V,为了确保传感器能够正常运行,将芯片电路的供电电压设定为3.3V｡直流电源将外置9V电源转化成5V,采用DCDC电源变换方式作为5V电源的产生方式,可以减少功耗和发热｡使用LDO芯片AS1113-3.3将5V转换为3.3V,供应MCU､RS-232､WIFI/蓝牙､SD卡､4G模块供电,提高了电路的稳定性｡

2、软件设计与流程

基于对市场前景需求､实际现场应用情况､监测的环境种类和现场工作人员的操作分析,本项目对目前已知存在技术在电缆隧道气体监测方面､通讯方式､软件平台等方面进行了创新优化｡系统整体框图:首先由PID传感器输出模拟信号,经过模数转换,将数字量送进单片机进行数据处理,然后进行相关的功能模块操作,最后通过蓝牙将气体浓度数据实时显示在微信小程序上｡2.1RT-Thread实时操作系统RT-Thread是一款由国内团队全面开发和维护的物联网操作系统｡包括文件系统､网络框架､设备框架等一系列中间件组件,形成了一个相对完整的软件平台｡其系统框架图如图2所示｡

2.1RT-Thread实时操作系统

RT-Thread是一款由国内团队全面开发和维护的物联网操作系统｡包括文件系统､网络框架､设备框架等一系列中间件组件,形成了一个相对完整的软件平台｡其系统框架图如图2所示｡

图2RT-Thread的I/O设备模型框架

2.2基于GD32F405的气体监测电缆故障预警系统

本项目设计了一款基于GD32F405单片机的气体监测系统,嵌入式软件开发和硬件设计｡包括了气体数据的采集､存储､阈值判断和发送｡嵌入式软件流程图如图3所示｡

图3嵌入式软件流程图

RT-Thread系统开始运行后,会同时开启三个线程:系统状态指示线程､气体浓度值存储转发线程､气体浓度采集线程｡系统提示目前处于气体浓度采集状态,接收气体浓度,自动判断气体浓度大小,若小于阈值,则系统判定隧道内气体浓度值正常,继续接收采集到的气体浓度值;若大于阈值,系统触发气体浓度值存储､转发功能,将采集到的异常气体浓度值存储在单片机内存中,并发送数据｡此时,系统将异常气体浓度数据以数据包的格式发送到主机端进行后续处理｡此外,气体监测系统具有一定的存储能力,可以将异常气体浓度数据进行存储,方便后续的转发工作｡

2.3微信小程序设计

2.3.1小程序开发环境

本项目微信开发程序在微信开发者工具环境下编写,主要功能是通过蓝牙接收硬件发送的分析结果,并将分析结果可视化到微信小程序界面｡微信开发者工具是专门为微信小程序开发设计的工具,采用JavaS⁃cript语言,可实现在不同的平台上运行,具有极高的灵活性和可移植性｡此外JavaScript可以与WXML和WXSS结合,实现小程序的交互效果和动态效果｡

2.3.2小程序设计

小程序的设计过程,主要包括蓝牙接收数据和数据处理及其可视化两部分｡主要流程是微信小程序可视化平台包括数据上传和结果分析｡小程序通过蓝牙接口连接硬件蓝牙模块,实时接收气体浓度数据,并且将气体浓度的分析结果展示在小程序界面上｡

(1)蓝牙接收数据

蓝牙接收数据首先在调用wx.openBluetoothA⁃dapter的方法,获取蓝牙适配器对象,通过适配器对象使得小程序可以完成搜索､连接和读取蓝牙设备的功能｡其次,在蓝牙适配器对象中调用startBlue⁃toothDevicesDiscovery的方法搜索蓝牙设备,由此,小程序可以在界面上看到附近蓝牙设备的设备名称､设备ID等信息,从而找到硬件蓝牙模块｡之后,在蓝牙适配器对象中调用createBLEConnection方法,使得小程序能够连接指定的蓝牙设备,同时获取所连接蓝牙模块中包含的服务列表对象｡调用getBLEDevi⁃ceCharacteristics方法获取蓝牙设备的特征值｡最后,小程序监听蓝牙设备特定特征值的指定属性,当硬件设备上传数据时,小程序就可以通过这个特征值回去到硬件上传的数据,方便后续对数据进行处理｡

(2)数据处理

由于硬件将结果以字符串的格式打包､发送数据,在微信小程序不能直接展示,所以要对接收到的数据进行处理,使得小程序能够展示分析结果｡首先,小程序通过蓝牙接口接收硬件上传的数据;其次将接收到的数据声明为全局变量,使得在小程序不同的界面中可以调用该数据,为之后的展示做准备;最后,在展示界面的js文件中,调用JSON.parse函数,将接收到的数据解析成JSON对象,实现分析结果展示,如图4所示｡

图4数据处理流程图

3、微信小程序调试

为了更便捷地观察分析结果,本项目采用微信小程序作为第三方平台,对上传的文件进行分析,以便于更便捷､更直观地观察到数据｡

3.1测试环境

测试环境所使用的开发工具为微信开发者工具,移动设备为iOS系统设备,在所使用的电脑中,系统最低版本为window10,电脑CPU频率最低为2.0GHZ｡

3.2测试内容

3.2.1UI测试

UI测试主要内容包括界面交互是否正常,页面元素是否正常展示,测试页面交互即测试界面的逻辑功能是否实现,例如页面跳转､数据加载､绑定的事件是否响应等情况;页面展示元素包括整体小程序界面是否美观,字体的大小､格式是否正确,图片是否有错位等｡

3.2.2功能测试

本项目主要功能包含:查看蓝牙设备､连接蓝牙设备､展示蓝牙设备上传数据等功能｡

(1)查看蓝牙设备

此功能用于搜索附近可连接的蓝牙设备,显示蓝牙设备的名称､信号强度､UUID值､服务功能数量等信息｡在小程序界面点击打开蓝牙就能查看附近的蓝牙设备及其基本信息｡

(2)连接蓝牙设备

此功能主要是通过蓝牙联通硬件和移动端,打通数据交互的通道,通过此功能实现硬件和移动端的通讯,为之后的数据展示做准备｡

(3)数据展示

数据展示界面主要功能是将硬件上传的气体浓度数据进行可视化分析,得到分析结果并在界面上展示出来,便于观察和结果分析｡

3.2.3兼容性测试

兼容性测试为在不同型号､不同屏幕大小的手机上是否能够正常渲染页面元素,页面布局是否美观,经过不同型号的手机测试,暂时不存在不兼容的情况｡

4、结语

(1)基于PID传感器和GD32F405RGT6芯片开发了一套在线PID光离子气体监测电缆故障预警系统,该系统具有体积小､电路性能稳定､实时监测等特点,并引入RT-Thread系统,进一步降低了系统的功耗,提高了系统的稳定性和运行速度｡经过系统调试和样本检测验证,该系统能够实时显示电缆隧道中VOC气体的浓度并通过通讯模块上传到监控中心,达到电缆故障预警的效果;

(2)设计了完整的硬件电路方案,包含了主控芯片､气体采样电路､外围接口模块电路､辅助电源电路等,实现了VOC气体浓度数据的采集与处理､数据分析､数据实时传输等功能,并编写了下位机代码来驱动底层硬件;

(3)设计了微信小程序,该小程序主要用来展示分析结果,使使用者更加便捷地观察结果,了解电缆隧道内VOC气体浓度情况,防止因VOC气体浓度过高引发火灾,爆炸事件｡

参考文献:

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