1 原理概述
在城市生產生活中，會產生大量的生活廢水和工業廢水，這些廢水中含有的各種物質，經過復雜的化學反應會生成各種有毒有害及可燃性的氣體。這些氣體不但會污染周邊環境，影響人民群眾的生活質量，而且還可能發生劇烈的爆炸，嚴重威脅到人民群眾的生命財產安全。
基于現實生活中的迫切需求，有必要對城市環境中存在的各種氣體進行實時檢測，以免造成生命財產損失等嚴重后果。本期介紹一種檢測下水道中可燃性氣體的設備。
在下水道中，可燃性氣體的主要成分是甲烷。因此，我們可以通過可燃性氣體傳感器來實時地監測下水道氣體中甲烷的含量，當其濃度超標時及時通知管理人員進行處理。
2 通信方式
現場采集終端與監控中心的通信方式，有以下幾種常見的方式：
方案1：現場采集終端和監控中心都接入互聯網，所有數據通過互聯網交互。該方案的優點是網絡覆蓋面大，監控中心布置靈活。但缺點是要求現場采集點附近有寬帶網絡接入點，所以對監測點的選擇有較大的限制，同時有線方式施工維護比較繁瑣。
方案2：現場采集終端和監控中心都安裝無線數傳電臺，所有數據直接以無線方式傳輸。該方案的優點是不用布線，對監測點的選擇靈活。但缺點是要架設電臺天線，而且功率受法規限制，信號覆蓋范圍有限。
方案3：現場采集終端采用GPRS無線方式接入互聯網，監控中心采用專線或有線寬帶接入互聯網。該方案同時具有覆蓋面廣（有手機信號的地方就能安裝監測終端）、安裝方便、維護成本低（按流量收費）、通信穩定可靠等優點，是該應用的最佳通信方案。
3 系統組成
本系統由可燃性氣體傳感器、現場數據采集設備、監控中心服務器和數據庫軟件等幾大部分組成，系統組成如圖1所示。
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3.1 可燃性氣體傳感器
可燃性氣體傳感器是將設備現場的可燃性氣體的體積含量轉換為標準電信號輸出或者通過數字方式以一定的通信協議輸出的設備。可燃性氣體傳感器主要分為半導體式、催化燃燒式、熱傳導式和紅外式等不同類型。傳感器的數據輸出分為電壓型、電流型、數字通信型等類型。其中紅外式傳感器是目前比較先進的傳感器，具有使用壽命長、氣體選擇性好、不易受有害氣體影響而中毒老化等優點，但其售價也相對較高。綜合各種考慮，我們推薦用戶采用紅外式可燃性氣體傳感器。圖2是市場上常見的一些知名品牌的氣體傳感器。
3.2 現場數據采集設備
現場數據采集設備要求能夠以一定周期從傳感器讀取采樣結果，進行初步的預警報警判斷，并且將采樣結果通過GPRS數據傳輸的方式發送到監控中心服務器。
工業現場的工作條件一般較為惡劣，因此要求數據采集設備必須具備一些特定的功能。
(1)防水功能：要求采樣終端設備能長期抵御雨水淋濺和潮氣侵入，以保證內部電子器件正常工作，通常要求防水等級在IP64以上；
(2)內置電池：保證設備在市電停電后仍然能夠正常工作一段時間；
(3)日志功能：能夠保存設備一定時間內的運行狀態，方便日后管理人員進行分析；
(4)參數可設置：設備必須能夠設定檢測氣體濃度時的報警預警值，檢測氣體的周期，采樣數據的上傳周期等參數，方便用戶接駁不同類型的傳感器；
(5)內置時鐘：方便對采集的數據添加時間戳。
廣州致遠電子有限公司研發生產的GPRS數據采集傳輸設備ZWG-PT01就是一款滿足上述要求的產品。該產品具有IP65的防護等級，內置1.3 Ah的密封鉛酸蓄電池，智能數據報警預警判斷，能夠保存一周的工作日志等特點。ZWG-PT01產品的外形如圖3所示。
(1)產品主要特性
· 整機采用適合戶外使用的聚碳酸酯材料(PC)外殼，達到IP65防護等級(防塵、防水噴淋），并且抗太陽光紫外線；
· GPRS天線內置，防止被破壞；
· 市電220 V供電，整機最大功耗小于5 W；
· 10個LED指示燈用于指示設備的工作狀態和異常狀態；
· 內置備用電池，在交流220 V市電停電時可持續供電4 h；
· 輸出符合本安要求的電源(12 V最大350 mA)供外部傳感器使用；
· 通過RS485接口獲取可燃性氣體傳感器的采樣數據；
· 內置高精度工業級實時時鐘(最大誤差：0.5 s/d)，方便添加時間戳；
· 具備溫度、濕度、工作電壓等測量功能，方便維護人員了解設備運行狀態；
· 內置300條采樣數據存儲空間，用于通信異常時緩存采樣數據；
· 內置大容量Flash器件，能記錄最近一周內設備運行日志信息；
· 支持短信報警和短信配置設備參數功能；
· 支持本地串口升級和遠程GPRS升級，方便程序更新。
(2)電源管理
為了保證偶然的短期停電時不影響設備的正常工作，同時為了保證停電情況下緊急狀態時設備能夠繼續工作一段時間，設備內置了1.3 Ah的密封鉛酸蓄電池。在市電正常情況時，蓄電池處于自動充電狀態；在市電停電后，設備根據當前工作模式決定開機時間長短。圖4是設備各個工作模式轉換的示意圖。
(3)數據采集
ZWG-PT01通過RS485總線采集傳感器采樣得到的氣體濃度數據。在RS485總線上可以安裝多個氣體傳感器，方便用戶對一定范圍之內的可燃性氣體的含量進行多點檢測，方便用戶升級氣體傳感器，也方便用戶增加檢測氣體的種類。
設備獲取到原始氣體濃度之后，使用軟件濾波算法進行濾波處理。用戶通過配置選項可以控制該算法的濾波強度。濾波之后的數據與用戶預先設定的預警報警值進行比較判斷，如果達到用戶設定的預警報警值，則該數據為異常數據，否則為正常數據。
(4)數據通信
對于正常數據，設備會周期性地將其上傳到服務器。對于異常數據，設備會將其立即上傳至服務器。另外用戶還可設置數據異常時設備是否發送報警短信到指定手機。
設備將數據上傳到服務器之后，等待來自服務器的應答。只有接收到服務器的應答，設備才認為一幀數據發送成功。
如果用戶使能了短信數據傳輸功能，則管理人員可以發送短信息更改設備的運行參數，或者獲取設備運行的關鍵信息。
在設備運行的過程中，如果由于某些原因導致網絡連接斷開，則設備能夠自動重新建立與服務器的連接。自動重連的過程不影響數據的采樣，也不會丟失采樣數據。
3.3 監控中心服務器
監控中心服務器的功能是接收ZWG-PT01數據采集設備上傳的采樣數據，完成數據的顯示和保存，提供歷史數據的查詢分析，生成各種報表等。同時，當接收到異常數據時，服務器應該能夠提醒管理人員進行緊急處理。
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監控中心服務器必須是能夠連接到互聯網的計算機，可為其申請固定IP或者動態域名。
數據采集設備ZWG-PT01上電后，會以TCP客戶端的方式自動連接監控中心服務器。如果連接不成功會繼續重連，直到連接成功。
4 設備安裝注意事項
(1)設備使用GPRS無線方式通信，因此應選擇在不屏蔽手機信號的地點安裝；
(2)不要在禁止使用射頻設備的場合使用該設備，例如加油站和醫院內部；
(3)設備具有IP65的防護等級，請不要在超出其防護等級的場合使用該設備。
該設備在多個城市投入使用后，運行穩定可靠，有效地檢測到潛在的可燃性氣體的危險，維護了廣大人民群眾的生命財產安全，產生了良好的社會和經濟效益。通過選配不同的傳感器，配置不同的運行參數，該設備同樣適用于環境檢測場合，滿足各種不同的需求。