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

隨著社會的發展,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濟、環境和社會效益,的優勢逐漸取代了小鍋爐,特別是20世紀90年代以來,在全國各地政府的支持下得到了飛速的發展,在城市基礎設施中發揮越來越大的作用,隨著管網范圍的延伸,管網檢查井的數量也成倍的增長,在供熱管網的檢查井中,一般安裝有閥門、減壓器、補償器等管件及其保溫層。隨著供熱介質溫度的變化,管道就會發生膨脹和收縮,從而產生應力,該應力一般靠補償器的伸縮來釋放,由于供熱介質溫度變化的比較頻繁造成管道一直處于收縮伸長的變化中,所以補償器是熱網的易損部件,另外檢查井中的閥門由于長期處在潮濕環境中,極易被腐蝕發生泄露的機會也很大,如果檢查井中的部件發生長時間泄露無論對居民小區的供暖還是對一級管網的正常輸熱都會產生很大的影響,甚至會損壞檢查井的建筑結構,所以對檢查井內部進行泄露檢測并及時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,最容易發生損壞的部位就是圖中所標的1~4四個彎頭,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]。所以在這四個部位各安裝兩個溫度傳感器,檢測保溫材料內外的溫度,根據保溫材料的熱傳導特性內外的溫差如果過于接近說明供熱介質已經滲透保溫層。另外在檢查井的最下端安裝液位開關,如果是其他部位泄露當水位超過液位開關報警線時表示檢查井內已經積水應該進行檢查。對于野外檢查井井蓋和閥門經常失竊,給供熱網絡的正常運行造成極大威脅。所以在井蓋安裝防盜開關,在未經備案的情況下井蓋被打開就可認為被強制打開。單片機通過GPRS模塊向監控中

心發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,在僅開啟RTCC功能同時將所有IO口設置成高阻狀態時實測功耗小于300nW,實現整個系統在鋰電池供電的情況下低功耗長時間運行。系統的其他部分在不工作時幾乎不耗電,所以在待機狀態下整個系統的功耗都會小于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關、防盜開關、測溫系統三部分,液位開關和防盜開關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從休眠狀態中喚醒,表示液位開關閉合或者防盜開關閉合。而單片機還可以利用RTCC功能定時喚醒檢測溫度傳感器的溫度判斷管道是否發生泄露[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器,系統利用GPRS模塊通過GPRS網絡將編碼的泄露信息傳入遠程監測服務器中,實現閥井的實時監測。模塊選用的是Quectel-M10,在模塊中自帶TCP/IP協議,兼容AT指令集,可由外部管腳控制模塊的開關,而且正常工作時功耗低,延長鋰電池的使用時間。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定時程序、溫度檢測程序、外部中斷喚醒程序、數據打包發送程序組成,程序進行初始化后首先對外部設備進行巡檢,確認所有設備工作正常且沒有泄露后就啟動RTCC定時并進入待機狀態以節省電池電量,一旦液位開關或者防盜開關被觸發,單片機就被喚醒,啟動GPRS模塊將信息打包后發送到服務器端,在沒有外部中斷觸發的情況時,單片機由RTCC定時器定時喚醒對外不檢測設備進行巡檢,如果發現泄漏情況同樣啟動GPRS模塊對信息打包發送,程序流程圖如圖5。

表1 數據包格式

在打包發送數據時,為讓服務器端能正確的解讀出數據包包含的泄露信息、發生泄漏的檢查井編號必須對數據格式進行規定,首先是包頭,然后是手機號碼用來區分井號,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 設備在線監測界面

服務器端接收到數據后,按照約定的格式進行解包,同時進行聲光報警,這樣就實現了閥井泄露的實時監測。圖6、7就是上位機檢測軟件報警和設備在線情況的界面。

5 結束語

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、液位開關和防盜開關對供熱檢查井的泄露情況進行及時的檢測,同時對惡意打開井蓋的情況進行檢測,并可以將信息及時傳輸到遠程服務器,實現檢查井的實時監測,對檢查井泄露只能靠事故發生后造成的影響進行判斷的方法提供的一個全新的解決方案,最大化的減小了經濟損失,為提高管網的自動化檢測水平發揮了重要作用,本系統已經在現場進行應用,檢測和防盜效果非常好,具有很大的發展前景。