(安康學院 電子與信息工程學院研究中心，陜西 安康 725000)

0 引言

目前，環(huán)境保護問題愈演愈烈，我國政府同各方力量投入大量資金用于環(huán)境治理，但受到各種因素影響，用于環(huán)境保護治理設備運行效果并不理想，在當前環(huán)境保護以總量控制為主情況下，需通過有效監(jiān)測，保證污染源得到凈化[1]。通過實時監(jiān)測具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備工作電流，可對設備運行情況進行無間斷連續(xù)監(jiān)測。智慧環(huán)保是數(shù)字環(huán)保的擴展，利用物聯(lián)網(wǎng)和全球定位系統(tǒng)能夠協(xié)助智慧環(huán)保技術的推進[2]。當今環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)展過程中受到各種因素影響，無法對環(huán)保設備進行有效檢測，因此，必須通過行之有效的監(jiān)測系統(tǒng)，保證污染源得到治理，為此，設計了具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制，可促進環(huán)保設備高效運轉，進而減輕監(jiān)測人員勞動強度，使環(huán)保監(jiān)測走向科學化軌道。

1 系統(tǒng)總體結構設計

具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)采用上位管理機和下位監(jiān)測機兩級結構，其中上位管理機是在Windows環(huán)境下研發(fā)的，通過RS-232接口完成基本管理行為[3]。而下位監(jiān)測機是以MCS-51系列單片機為主，同時監(jiān)測多組環(huán)保設備運行狀態(tài)，可獨立完成基本監(jiān)測行為。兩者之間采用RS-232標準接口進行通信，完成數(shù)據(jù)傳輸[4]。依據(jù)對設備動力線工作電流的監(jiān)測原理，將超過設定閾值電流的運行情況視為設備工作異常，應及時做出報警決策；將低于設定閾值電流的運行情況視為設備工作異常，可根據(jù)下限值大小認為設備處于關機狀態(tài)。為了方便統(tǒng)一管理，可將所記錄數(shù)據(jù)全部傳送給上位機。

監(jiān)測系統(tǒng)總體結構設計如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

由圖1可知，具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)可通過上位管理機完成數(shù)據(jù)接收、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲，而下位監(jiān)測機是以MCS-51型號單片機為核心，具備報表打印和報警使用功能。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

由圖2可知，通過定時采樣獲取環(huán)境信息，經過只存存儲器修改信息內容可擺脫早期編程束縛，節(jié)省大量時間。經過硬件結果與軟件功能相互協(xié)作，可實現(xiàn)異常狀態(tài)快速報警。

1.1 E2PROM只讀存儲器

E2PROM只讀存儲器是一種可通過電子方式進行多次復寫的半導體存儲設備，經過電腦專用設備擦除歷史記錄信息，并重新編程，通過特定電壓寫入新數(shù)據(jù)。E2PROM是以27開頭的2 M Bits容量芯片，在芯片寫入資料后，以不透光貼紙封住窗口，避免周圍受到紫外線輻射而導致資料損壞。

只讀存儲器主板上的BIOS ROM芯片采用電可擦除可編程，無需借助其他設備，以電子信號byte單位形式修改內容，徹底擺脫早期編程束縛。在寫入數(shù)據(jù)時，需利用一定編程電壓，只需由廠商提供專用程序就可改寫具體內容。借助雙電壓特性，在升級時，將跳線開關調制off位置，可給芯片添加相應編程；而在平時使用過程中，需將跳線開關調制on位置，防止CIH病毒對內部芯片進行不合理修改。

1.2 隨機存儲器

采用IS61LV25616AL-10TL 型號異步靜態(tài)隨機存儲器具有較高運行速率，且功率消耗較低，可與CPU直接進行數(shù)據(jù)交換，通常作為操作系統(tǒng)的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介。當存儲器中數(shù)據(jù)處于被動讀寫時，其所耗費時間與該段信息所在位置是沒有任何關系的[5]。反之，數(shù)據(jù)處于主動讀寫情況下時，其所耗費時間與該段信息所在位置是有關系的。

IS61LV25616AL-10TL 型號異步靜態(tài)隨機存儲器結構如圖3所示。

圖3 異步靜態(tài)隨機存儲器結構

圖3所示結構是由存儲矩陣、地址譯碼器、讀寫控制電路組成的，其中存儲矩陣是以每單元存一位二進制數(shù)碼組成的，地址譯碼器具有行地址譯碼器和列地址譯碼器組成的[6]。該存儲器共16個單元，每單元都有4位，當存儲器被選中時，整個存儲器將處于工作狀態(tài)，此時列地址為00、行地址為11；當存儲器運行功率大小為1時，需執(zhí)行讀操作，那么第三行第零列存儲單元中數(shù)據(jù)將全部傳送至I/O接口處；當存儲器未被選中時，不能進行讀寫操作，所有端口都為高阻狀態(tài)。

1.3 監(jiān)測儀

采用COM-3800 型號環(huán)保設備運行監(jiān)測儀主要用于監(jiān)測室內外環(huán)境各項參數(shù)，通過對環(huán)境質量代表值的測定，可確定污染程度。環(huán)保設備運行監(jiān)測儀示意圖如圖4所示。

圖4 環(huán)保設備運行監(jiān)測儀

環(huán)保設備運行監(jiān)測儀可進行長期連續(xù)監(jiān)測，并記錄以電機為動力各種設備運行情況，并在電機出現(xiàn)故障情況下，實現(xiàn)電機自動保護。該設備具有同步整流功能，能夠使污染治理設備正常運行，進而提高對污染物治理效率[7]。

監(jiān)測儀是由傳感器以及監(jiān)測器組成的，其中傳感器每個通道適用功率大小為0.5～100 kW，可對三相電流進行同時監(jiān)測；傳感器內存容量大小為32 kb，具有八路模擬量輸入接口，能夠存儲一年運行數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)查詢顯示時間和各個通道運行時間總量，查詢監(jiān)測器上多種數(shù)據(jù)，并記錄，進而保證監(jiān)測結果真實性。

1.4 LED異常報警控制設備

采用AS150PDK-14712S型號50段異色段游標LED報警光柱模塊，具有上下限報警控制作用，該設備結構示意圖如圖5所示。

圖5 LED異常報警控制設備結構示意圖

LED異常報警控制設備在系統(tǒng)出現(xiàn)異常問題時，能夠抵抗外界因素干擾，通過報警按鈕進行報告，并通過系統(tǒng)將異常信息提供給負責人。負責人根據(jù)亮燈方式進行處理，亮燈方式包括“正常狀態(tài)”光柱無亮燈行為、“異常報警”光柱呈現(xiàn)紅色閃亮狀態(tài)、“處理中”光柱呈現(xiàn)黃色閃亮狀態(tài)、“處理完畢”光柱呈現(xiàn)綠色閃亮狀態(tài)。根據(jù)該狀態(tài)，設置設備性能指標[9]。

該設備性能指標設置如表1所示。

該模塊具有安裝方便、光柱顯示明顯的優(yōu)勢，同時還具備異色段游標和報警輸出控制功能。其自帶鍵板可設定游標、光柱亮度，用于直流或交流電量測量與顯示。

1.5 監(jiān)測電路

智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測電路可對異常狀態(tài)進行實時監(jiān)測，具體電路圖設計如圖6所示。

表1 設備性能指標

圖6 智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測電路圖

IC1負責監(jiān)測光照強度，集成電路中11、12引腳為輸出端，2引腳為信號輸入端。當IC1的2引腳為高電位時，10、12引腳輸出高電平，11引腳輸出低電平；當IC1的2引腳為低電位時，11、12引腳輸出高電平，10引腳輸出低電平。IC2負責監(jiān)測環(huán)境噪聲，其觸發(fā)端2腳直接連接在正電源上，只要電源一連通，可為IC1提供監(jiān)測輸入信號。

當環(huán)境處于污染嚴重狀態(tài)下，內部集成電路會產生高阻抗，使得IC1信號輸入端2引腳電位升高，此時11引腳輸出低電平，LED2被點亮且發(fā)出紅色光；當環(huán)境處于中等污染狀態(tài)下，內部集成電路電阻阻值變小，此時IC1信號輸入端2引腳電位降低，10引腳輸出低電平，LED3被點亮且發(fā)出黃色光；當環(huán)境處于正常狀態(tài)時，IC1的2引腳電位正常，此時IC1輸出端12引腳為低電平，LED1被點亮且發(fā)出綠色光，此時為環(huán)保設備監(jiān)測硬件結構最常規(guī)的狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)總體結構，設計E2PROM只讀存儲器、隨機存儲器、監(jiān)測儀、LED異常報警控制設備和監(jiān)測電路。其中E2PROM只讀存儲器具有防止CIH病毒對內部芯片進行不合理修改作用；隨機存儲器可為系統(tǒng)提供臨時數(shù)據(jù)存儲空間；監(jiān)測儀可通過環(huán)境質量代表值確定污染程度；LED異常報警控制設備具有上下限報警控制作用；監(jiān)測電路可對異常狀態(tài)進行實時監(jiān)測。根據(jù)上述各個硬件所代表的具體作用，完成監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊設計。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件上位機管理程序是在Windows10環(huán)境下編寫的，下位機監(jiān)測程序是使用單片機匯編語言編寫的[10]。上位機管理軟件分為主程序、通訊、參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)分析模塊，其中通訊模塊負責將下位監(jiān)測機所采集到的全部數(shù)據(jù)傳至上位管理機之中，當數(shù)據(jù)讀入時，需要進行數(shù)據(jù)校驗，保證所傳輸每個數(shù)據(jù)都十分準確，在數(shù)據(jù)精準采集之后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果處理相關文件；參設設置模塊可對設備名、通道號、運行時間輸入相關參數(shù)；數(shù)據(jù)分析模塊負責對接收全部數(shù)據(jù)進行分析，以此獲取設備運行變化情況。下位機監(jiān)測模塊功能主要有兩種，一種是對多組環(huán)保設備工作電流進行實時監(jiān)測，另一種是對系統(tǒng)自身情況進行檢測，具體監(jiān)測流程如圖7所示。

圖7 下位監(jiān)測機程序流程圖

下位機初始化后進入主程序循環(huán)，為了提高采集結果精準度進行數(shù)字濾波處理，并采用同步整流功能綜合分析驅動電路和波形，讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢測報警信號。下位機具有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種方式，其中現(xiàn)場控制是操作者在現(xiàn)場利用手持器進行控制，此時上位機對下位機只能進行監(jiān)視行為，無法對其控制，而下位機通過分析上位機命令控制監(jiān)測儀。

同步整流是采用通態(tài)電阻極低專用功率，取代整流二極管，進而降低整流損耗。為了避免不同繞組之間存在漏電情況，需在開關管集電極上產生較高電壓，使初級繞組和再生繞組雙線并繞，在這種配置下，雙線并繞位置是非常重要的。因為雙線并繞引起的雜散電容是在開關集電極和繞組連接點之間的寄生電容，所以在監(jiān)測系統(tǒng)開始運作時，不會出現(xiàn)其他電流干擾，保證系統(tǒng)電流能夠正常運行。

電路輸入和輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 電路輸入和輸出電壓波形

圖8中：UT表示總電壓，ut2整流副邊電壓；ug1和ug2表示驅動電壓。

(1)在0～t0時間段內：ut2處于正半周期，此時ut2與Ut2m電壓一致，此時安置在ut2附近的兩個LED報警燈一個為正偏導通，另一個為反偏截止。ut2線圈通過正偏導通報警燈對電容進行充電，待充電結束后，驅動電壓ug1、ug2與總電壓UT之間關系為：

ug1=Ut2m-UD=Usa>UT

ug2=-UD

(1)

其中：UD表示正偏導通LED報警燈的導通壓降。

(2)在t0～t1時間段內：ut2處于零電壓區(qū)域內，兩個報警燈導通截止，電容自動放電，直到該范圍內的兩個電容電壓一致為止。此時，驅動電壓ug1、ug2與總電壓UT之間關系為：

ug1=ug2=Ut2m/2-UD=Usb>UT

(2)

由于驅動電壓ug1、ug2都高于總電壓，因此設備端口電壓都是通態(tài)，線圈所釋放的能量足以維持負載電流。

(3)在t1～t2時間段內：ut2與-Ut2m電壓一致，此時設備其它端口為正偏導通，相反方向為反偏截止。ut2通過正偏導通對電容進行充電，此時電容被正向壓降。此時，驅動電壓ug1、ug2與總電壓UT之間關系為：

ug1=-UD

ug2=Ut2m-UD=Usa>UT

(3)

(4)在t2～t3時間段內：ut2處于零電壓區(qū)域內，電容反方向放電，直到該范圍內的兩個電容電壓一致為止。此時，驅動電壓ug1、ug2與總電壓UT之間關系與t0～t1時間段內一致。

采用同步整流技術，分析驅動電壓與總電壓之間關系，降低硬件設備功率損耗，由此完成系統(tǒng)軟件部分設計。

3 性能測試

采用64 W實驗樣機驗證具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)設計合理性。實驗樣機輸入電壓范圍為80～260 VAC，輸出電壓范圍為15 VAC，輸出電流為5 A。

圖9所示為最小實驗樣機輸入電壓情況下，具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行時所輸出的電壓波形。

圖9 實際輸出電壓波形

由圖9可知，在電壓輸入較低情況下，無法實現(xiàn)零電壓開通，環(huán)保設備運行損耗功率變大。因此，在該情況下，對基于智能網(wǎng)絡運行監(jiān)測系統(tǒng)、基于ZYBO開發(fā)平臺運行監(jiān)測系統(tǒng)和具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)性能進行對比分析。

3種系統(tǒng)輸出電壓波形如圖10所示。

圖10 3種系統(tǒng)輸出電壓波形

由圖10可知，智能網(wǎng)絡運行監(jiān)測系統(tǒng)在電壓輸入較低情況下，與實際輸出電壓波形較為相似，也由此說明該系統(tǒng)無法實現(xiàn)零電壓開通，環(huán)保設備運行損耗功率較大；基于ZYBO開發(fā)平臺運行監(jiān)測系統(tǒng)與實際輸出電壓波形不一致，逐漸接近于0 V，但仍然無法實現(xiàn)零電壓開通，環(huán)保設備運行損耗功率較大；而具有同步整流功能監(jiān)測系統(tǒng)輸出電壓趨近于0，由此實現(xiàn)零電壓開通，環(huán)保設備運行損耗功率較小。

根據(jù)上述內容可知，具有同步整流功能監(jiān)測系統(tǒng)運行損耗功率較小，為了進一步驗證該系統(tǒng)性能較好，需再次將這3種系統(tǒng)監(jiān)測精準度進行對比分析，設基于智能網(wǎng)絡運行監(jiān)測系統(tǒng)為F1、基于ZYBO開發(fā)平臺運行監(jiān)測系統(tǒng)為F2、具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)為F3，對比結果如圖11所示。

圖11 3種系統(tǒng)監(jiān)測精準度對比分析

由圖11可知，3種系統(tǒng)在時間為0.7 h時，監(jiān)測精準度達到最高，這是因為設備起始階段，所耗費功率較小，因此，該階段監(jiān)測精準度較高。

1)基于智能網(wǎng)絡運行監(jiān)測系統(tǒng)在時間為7 h時，監(jiān)測精準度達到最低為0.48。當時間為1 h時，監(jiān)測精準度為0.65。當時間為3 h時，監(jiān)測精準度為0.66。當時間為6 h時，監(jiān)測精準度為0.52；

2)基于ZYBO開發(fā)平臺運行監(jiān)測系統(tǒng)在時間為7 h時，監(jiān)測精準度達到最低為0.48。當時間為1 h時，監(jiān)測精準度為0.52。當時間為2h時，監(jiān)測精準度為0.68。當時間為6 h時，監(jiān)測精準度為0.50；

3)具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)在時間為3 h時，監(jiān)測精準度為0.85。當時間為1 h時，監(jiān)測精準度為0.9。當時間為3 h時，監(jiān)測精準度達到最低為0.85。當時間為7 h時，監(jiān)測精準度為0.9。

由此可知，具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)最低監(jiān)測精準度也大于80%，而剩下兩種系統(tǒng)最高監(jiān)測精準度也都低于80%，因此具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)設計是具有合理性的。

4 結論與展望

針對環(huán)保型設備監(jiān)測系統(tǒng)進行分析和設計，從硬件上解決智慧環(huán)保監(jiān)測平臺存在故障定位效果差的問題，使智慧環(huán)保平臺能夠實現(xiàn)污染源的高效凈化功能。隨著進一步應用研發(fā)，環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)硬件資源和創(chuàng)新架構將具有很高的集成度，數(shù)據(jù)實時處理能力和硬件設計方面也將逐步展現(xiàn)。

監(jiān)測系統(tǒng)已經在生產企業(yè)和生化領域進行長期使用，其成功必將有助于環(huán)保部門對各種設備進行長期無人看守不間斷在線監(jiān)測，使排污達到環(huán)保標準，進而凈化生存環(huán)境。具有同步整流功能的智慧環(huán)保設備運行監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛推廣，必將產生顯著社會效益。