鄭高原，佘世剛

(常州大學機械工程學院，江蘇常州 213164)

0 引言

由于超聲波流量計具有測量穩(wěn)定、無壓損、大量程等優(yōu)點，所以在天然氣測量方面已經(jīng)得到普及，為了得到更好的氣體流量測量結果，吳元良等使用TDC-GP2數(shù)字計時芯片提高了流量計對上下游氣體流速的測量精度[1],危鄂元、李紅娟等使用升級產(chǎn)品TDC-GP21，使用低功耗單片機MSP430作為主控MCU，提升了測量流量精度的同時，降低了整體系統(tǒng)的功耗[2-3]。高正中等采用了TDC-GP22芯片中集成的屏蔽功能，減少了由于流體擾動或由氣泡造成的測量誤差，在保證了測量精度的前提下提高了超聲波信號的質(zhì)量[4]。

現(xiàn)在的氣體流量測量的檢測精度依然較低，在氣體流量測量方面依然不盡人意。同時，現(xiàn)有的超聲波氣體流量計大多都不具備檢測周圍安裝環(huán)境是否變化的功能，在周邊發(fā)生極端危險的情況下不能提出警告?，F(xiàn)在市面上大部分流量計采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)，這種方式在有多個節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集時布線十分繁瑣，在工作環(huán)境下特別是氣體流量計需要環(huán)境監(jiān)控的情況下很難得到利用。而隨著通信技術的發(fā)展，大量工作在復雜環(huán)境下的儀器也開始采用物聯(lián)網(wǎng)無線通訊的方式傳遞數(shù)據(jù)[5-6]，因此就需要針對以上的問題設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的擁有較高測量精度且可以感知多種環(huán)境參數(shù)的儀器來進行氣體流量測量、環(huán)境的有效監(jiān)控和數(shù)據(jù)的無線傳輸。

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議和ESP8266以及MAX35104芯片為主體的高精度超聲波氣體流量監(jiān)測系統(tǒng)，可進行高精度氣體流量測量，使用ESP8266無線芯片作為通信芯片，利用DHT22溫濕度模塊以及MQ-4天然氣甲烷傳感器測量溫濕度以及可燃氣體(主要是天然氣)，作為環(huán)境安全預警模塊，該系統(tǒng)可以監(jiān)測監(jiān)控環(huán)境下的溫度、濕度、甲烷濃度以及工作狀態(tài)下管道中的氣體流量，有效減少現(xiàn)場布線，具有成本低、可擴展性好、可靠性高等特點。

1 系統(tǒng)結構及原理

1.1 系統(tǒng)的總體架構

系統(tǒng)的總體架構分為工作環(huán)境數(shù)據(jù)采集、超聲波流量計流量測量、傳感器數(shù)據(jù)傳輸3部分。DHT22溫濕度傳感器、天然氣濃度傳感器負責采集實時的數(shù)據(jù)。使用新型MAX35104計時芯片進行流量時差法測量。由ESP8266通信芯片通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。可通過電腦或手機查看平臺觀看監(jiān)測的數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

傳感器數(shù)據(jù)傳輸由傳感器環(huán)境設備信息采集節(jié)點，MCU(STM32單片機)、WiFi模塊(ESP8266)組成，傳感器配置由溫濕度傳感器(DHT22)，甲烷濃度傳感器(MQ-4)、超聲波流量測量模塊組成，傳感器數(shù)據(jù)在MCU匯總之后通過USART3串口傳輸至ESP8266通信模塊，模塊使用WiFi方式連接網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，工作環(huán)境發(fā)生異常時可以通過網(wǎng)絡產(chǎn)生警告，可通過云平臺使用電腦或手機查看流量測量信息。

1.2 超聲波氣體流量測量原理

超聲波氣體流量測量采用時差法測量氣體流量，時差法測量原理就是利用超聲波在順流和逆流情況下的運動時間差來測量氣體流量[7-10]，如圖2所示。

圖2 超聲波氣體流量計時差法原理圖

圖2中，A和B為超聲波換能器，L為超聲波換能器A和B發(fā)出的超聲波的運動距離，c為超聲波在管道氣體中的運動速度，θ為兩換能器的直線距離與管道軸線的夾角角度，D為管道直徑，v為管道中氣體流量的流速。聲道長公式為

通過計算超聲波在順流和逆流情況下的運動速度差，可以得到超聲波探頭所發(fā)出的超聲波在管道中的順流、逆流傳播時間tAB,tBA：

式中τ為硬件電路的延遲時間。

由傳播時間公式可知超聲波順逆流情況下的傳播時間差為

式中v2cos2θ和c2相比可以忽略不計，故Δt簡化為

即可計算出流速v為

管道中的流體在流動時有層流和紊流2種狀態(tài)，由于流體在測量管道的橫截面上有不同的流速情況分布，單獨計算出v只是管道截面上沿聲道線的流速平均速度，不能完全真實地顯示實際環(huán)境下的管道內(nèi)流速分布狀況，所以引入vm作為管道截面的平均流速，現(xiàn)實狀況下的流體流量應為管道的橫截面積A乘以其面平均流速vm，需要引入流場修正系數(shù)K對線平均流速進行補償：

從而可得瞬時體積流量Q[11]表示為

流場修正系數(shù)K的經(jīng)驗公式如下[12]:

可見需要求出雷諾數(shù)才可以知道流場修正系數(shù)，而雷諾數(shù)的計算公式為

式中：ρ為流體的密度；η為黏性系數(shù)。

1.3 MQTT協(xié)議原理

MQTT是遠程醫(yī)療通信協(xié)議，MQTT提供發(fā)布/訂閱的消息機制，基于TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)設備連接，由于其簡單，規(guī)范，消耗流量小而被廣泛使用。

MQTT的發(fā)布者，也就是設備感應端主要是以STM32為主核心的控制設備，設備通過收集超聲波流量計測量的數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)和天然氣濃度數(shù)據(jù)實現(xiàn)，MQTT的網(wǎng)絡層就是MQTT服務器，服務器進行基于MQTT協(xié)議的消息訂閱與發(fā)布，收集感應端傳送的數(shù)據(jù)，將信息傳送到應用層的手機端(Android)和PC端，且等待應用端的命令。MQTT的應用層即安卓端與PC端，可以通過接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時監(jiān)控工作環(huán)境的情況與氣體測量的數(shù)據(jù)，可通過發(fā)送命令來確認設備狀態(tài)。MQTT的應用模型如圖3所示。

圖3 MQTT協(xié)議應用于物聯(lián)網(wǎng)的模型

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包含2個部分，傳感器信息收集部分與數(shù)據(jù)無線收發(fā)部分。

2.1 傳感器信息收集部分

傳感器信息收集部分主要由主控制單元MCU(STM32F103ZET6)、各數(shù)據(jù)收集單元組成，具體設計如圖4所示。

圖4 傳感器信息收集部分

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測部分

測量溫濕度選擇DHT22傳感器，DHT22使用SDA為串行數(shù)據(jù)雙向口，用于讀寫傳感器數(shù)據(jù)。濕度量程范圍為相對濕度0～99%，精度為±2%，而溫度量程范圍為-40～80 ℃，精度為±0.5 ℃。

測量天然氣濃度選擇MQ-4。MQ-4氣體傳感器的使用溫度是-10～50 ℃，可適用于檢測濃度在300～10 000 ppm(1 ppm=10-6)范圍內(nèi)的天然氣濃度。通過連接STM32F103的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，測量接口電壓來計算所測氣體濃度。

2.1.2 超聲波氣體檢測部分

超聲波氣體測量采用MAX35104芯片，它是新一代燃氣流量計片上系統(tǒng)，擁有大量通過SPI傳送的氣體流量測量命令，極大地簡化編程?？蓪⒊暡ǖ臏y量精度提升至700 ps，且可在2.3～3.6 V單電源供電情況下進行62 μA超低功耗時間測量?？晒ぷ髟?40～80 ℃?？赏ㄟ^命令執(zhí)行自動校準操作，如果發(fā)生錯誤，則中斷狀態(tài)寄存器中的TO位置1，INT引腳被置位。擁有多個執(zhí)行操作碼命令，可進行上游測量，下游測量，上下游測量時間差，初始化，復位，帶通校準，事件1、2、3等命令。內(nèi)置的轉(zhuǎn)換結果寄存器直接儲存超聲波測量的時間差數(shù)據(jù)，可以直接通過SPI接口進行讀取，最大程度地減少MCU對MAX35104的訪問。MAX35104芯片電路圖如圖5所示。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)部分

數(shù)據(jù)收發(fā)部分采用ESP8266WIFI通信模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā)與傳輸，電路圖如圖6所示。

ESP8266-12F集成ESP8266EX核心芯片,有標準數(shù)字外設接口、天線開關、射頻balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器、電源管理模塊以及一片EN25Q32FLASH芯片等。支持WiFi協(xié)議棧,工作頻率穩(wěn)定在160 MHz,ESP8266擁有11個可擴展I/O接口,其中，GPIO12、GPIO13、GPIO15可作為PWM通道；GPIO12(MISO)、GPIO13(MISI)、GPIO14(CLK)、GPIO15(CS)可作為SPI接口，GPIO5(SCL)、GPIO4(SDA)可作為IIC接口。

3 系統(tǒng)軟件設計

在超聲波收發(fā)測量系統(tǒng)的軟件設計中，主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)程序；超聲波氣體流量測量程序；終端軟件設計。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設計

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)程序基于STM32固件庫進行庫函數(shù)開發(fā)。對比寄存器開發(fā)，通過STM32的官方庫函數(shù)進行開發(fā)可以大量減少程序的開發(fā)時間，從而降低開發(fā)成本[13]。

通電之后，初始化網(wǎng)絡協(xié)議，連接協(xié)議中設置的WiFi網(wǎng)絡，如果初始成功則開始監(jiān)視超聲波傳感器與其他傳感器的工作狀態(tài)，通過第三方?jīng)Q定是否開始進行測量，采集的數(shù)據(jù)要先通過數(shù)據(jù)處理之后才能通過定義的數(shù)據(jù)點將數(shù)據(jù)使用USART3接口傳輸?shù)紼SP8266芯片，再通過芯片接入WiFi從而與云服務器通信，如果等待30 s之后仍然不能連接，則等待選擇其他接入方式，如果使用獲取到的ssid和pwd成功連上路由，則發(fā)送配置成功包，設備與網(wǎng)絡服務器數(shù)據(jù)交互采用MQTT協(xié)議，每55 s檢驗是否離線。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)程序流程如圖7所示。

圖5 MAX35104外圍電路圖

圖6 ESP8266核心電路圖

圖7 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)程序流程圖

3.2 超聲波氣體流量測量程序

超聲波氣體測量主要通過MAX35104芯片實現(xiàn)，在MAX35104通過SPI發(fā)送多種指令來使用芯片中的計時模式，比如為了測量氣體流量，本文使用的EVTMG2(操作碼08h)操作命令。

通過SPI與MAX35104進行通信，CE(-)為低電平之后，對EVTMG2操作命令設置測量的頻率、測量的次數(shù)等剩余的寄存器。然后設備發(fā)送EVTMG2，一旦操作碼的所有8位由MAX35104接收，CE(-)器件引腳被置為無效，則設備按照該命令的描述開始執(zhí)行指定的飛行時間測量流程，最后通知微處理器讀取所測量的數(shù)據(jù)。操作碼位首先以8位MSB的形式傳送。數(shù)據(jù)位以16位MSB為單位傳輸。圖8為MAX35104的主控制器時間測量流程圖。

圖8 MAX35104的EVTMG2指令時間測量流程圖

3.3 終端程序設計

終端程序分為PC端與手機端，PC端采用GAgent平臺的網(wǎng)絡串口傳輸，直接從云端通過http網(wǎng)絡頁面的方式獲取設備通過WiFi上報的數(shù)據(jù)。

手機端使用JAVA語言和Android Studio軟件開發(fā),在美化監(jiān)控界面與定義所接收發(fā)送的數(shù)據(jù)點之后，手機通過網(wǎng)絡與GAgent建立的云服務器相連，設備與網(wǎng)絡建立連接之后，通過手機APP接收瀏覽數(shù)據(jù)，移動性相比電腦極大增強。具體的手機監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 手機端監(jiān)控頁面UI

4 實驗結果與分析

為了驗證ESP8266連接網(wǎng)絡服務器上傳數(shù)據(jù)的可行性，設計物聯(lián)網(wǎng)通信程序，使STM32將傳感器感應的溫度、濕度、甲烷濃度以及流量通過云服務器收發(fā)讀取。測試用于驗證溫度、濕度、甲烷濃度、流量測量運行正確與否。實驗結果驗證了設計網(wǎng)絡工作的可行性。

在行業(yè)標準JJG1030-2007流量計檢定規(guī)程下進行試驗，使用行業(yè)中常用的Z式安裝法安裝超聲波探頭，采用管徑DN100的管道，安裝角度為45°，將流量計測量結果與LUGB100 mm直徑的渦街氣體流量計在相同的環(huán)境條件下進行對照，按照JJG1030—2007流量計檢定規(guī)程，對于本次選擇的對照流量計，按照其精度與量程選取6個檢定點，分別是qmin(10 m3/h)，qt(84 m3/h),0.25qmax(125 m3/h),0.4qmax(200 m3/h)，0.7qmax(350 m3/h),qmax(500 m3/h)。分3種環(huán)境下進行測量18次，通過結果計算誤差值。在流量計工作以及休眠的同時，溫濕度探測與甲烷濃度探測繼續(xù)進行，每1 h記錄數(shù)據(jù)。測試結果如圖10所示。

(a)某天溫度測量情況

(b)某天相對濕度測量情況

(c)測量甲烷濃度

(d)測量流量相對誤差圖10 測試結果

5 結束語

經(jīng)過實驗室檢測后，認為基于物聯(lián)網(wǎng)的氣體流量監(jiān)控系統(tǒng)達到設計要求。在進行現(xiàn)場檢測時，可以實現(xiàn)溫度、空氣濕度和甲烷濃度的采集，氣體流量的測量。該流量監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助工作人員更好地監(jiān)控現(xiàn)場，減少現(xiàn)場布線，具有實用性和有效的監(jiān)控實時性。