基于 ZigBee的高原地區燃油煙氣排放監測系統設計

　　摘要：目前設計的高原地區燃油煙氣排放監測系統監測準確率較低，導致監測時間過長。為了解決上述問題，基于 ZigBee 設計了一種新的高原地區燃油煙氣排放監測系統，優化設計了系統的硬件和軟件。系統硬件選用了 SIMENS公司生產的 Ultramat 23經濟型多組分 NDIR 紅外氣體分析儀，能夠更好地適應高原地區，應用 PIC16F877A 單片機提高傳輸速率，通過 SPC3 完成數據通信。利用 PC機進行數據監控，引入 C語言和匯編語言混合編程實現軟件工作。實驗結果表明，基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統能夠有效提高監控系統準確率，降低監測時間。

　　關鍵詞：ZigBee;高原地區;燃油煙氣;排放監測;監測系統

　　郭永謙 電子設計工程 2022-01-05

　　目前，燃油電廠煙氣排放自動循環監測系統已經建成，基本實現了燃油煙氣電廠重要污染源排放情況的自動監測，但由于高原地區具有海拔高、氣溫低、輻射強、降水少、風力強等氣候特點，因此燃油煙氣排放更加困難[1] 。原有建成的排放系統在運營保障、自動循環監控、數據維護更新等方面存在的問題逐漸暴露出來，上述問題很有可能造成更大范圍的污染，對人類的生產生活造成較大的影響。環保部門要求條件好的省市安裝燃油煙氣排放自動監測系統，對排放過程中產生的污染物，進行實時監測，對排放處理產生的重要過程參數進行統一記錄，并且建立與此相關的模型，對治理燃油煙氣排放過程進行實時監測以及對它的運行狀態進行分析[2-4] 。

　　傳統的燃油煙氣監控系統在監控整體性能上存在問題，尤其是解決高原地區海拔過高問題的能力較差。綜上所述，該文基于 ZigBee 技術設計了一種新的高原地區燃油煙氣排放系統，對系統的硬件以及軟件進行了設計。

　　1 系統硬件設計

　　文中設計的基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統硬件由傳感器、處理器、通信器三部分組成，系統硬件的組成結構如圖 1所示[5-6] 。現場監測的智能站通過 ZigBee 接口電路與總機相連接，現場監測采集的數據由智能從站的處理器處理后通過 ZigBee 總機上傳給控制現場的 PC，控制現場的 PC 通過處理實時數據形成圖形信息，并最終顯示出來。控制現場的 PC 通過事先擬好的數據協議使以太網與遠程控制系統的 PC 形成實時控制網絡，以此進行實時遠程監控[7-9] 。

　　1.1 傳感器傳感器模塊如圖 2所示[10-11]

　　根據圖 2 可知，傳感器模塊通過采樣探頭采集殘存的燃油煙氣，然后利用模塊傳輸通道將燃油煙氣樣品傳輸到燃油煙氣分析系統，進而來分析燃油煙氣所產生污染物的濃度，如果濃度過高，可通過紅外氣體分析儀進行降解直至濃度正常。燃油煙氣測量系統可測量煙氣流量，再結合煙氣濃度算出燃油煙氣排放污染物的總量[12-13] 。

　　1.2 處理器

　　系統處理器模塊采用中央處理器PIC318F87單片機，完成信號轉換，經中央處理器處理后進行數據傳輸，將數據傳輸至外部擴展 Flash 存儲器，完成數據更新[14-15] 。

　　1.3 通信器

　　通信器模塊如圖 3 所示，通信器電路圖如圖 4 所示。通信器采用 SKRO3，它是一種基于 ZigBee 總機的智能化探頭芯片，里面的存儲區存有較為完整的 PD 器，包括遠程寄存器、動態寄存器、狀態寄存器、流通寄存器，各種各樣的緩沖器以及緩沖樣品。它們位于可調節的緩沖區里，方便記錄在通信過程中產生的集成樣品以及樣品數據。它的內部存有 2 kB 的 WAM，帶有 6 位樣碼，中間有 5 個連接端，供各種緩沖器進行連接使用。存儲器分為 200 段，每段包含 10 個字節，使用者可以立刻尋址，這種通信器支持所有傳感器和處理器進行轉換。

　　2 系統軟件設計

　　對比單片機與其中心軟件結合的方法，將協議芯片與單片機相結合，能夠大大減少通信控制狀態體系的內部程序。ZigBee 通信協議附加于 SRE3 中，可由集成電路得以實現。在運行這個方案的過程中，單片機把處理器處理過的數據發送給 SRE3， SRE3 根據內部通信工程事先嵌入的協議把數據發送到 ZigBee 總線上。SRE3 從 ZigBee 總線上采集數據并放入接收區，接收的數據在緩沖區進行數據緩沖。終端控制系統通知單片機從接收區取走并記錄數據，智能從站通信軟件是單片機與 SRE3數據傳輸的通道。開發智能從站通信軟件是比較艱辛且復雜的過程，采用 C 語言混合編程方法，為智能從站通信軟件的順利編程提供便利，大大提高了開發效率和運行速度[16] 。系統軟件流程如圖 5所示。

　　在編寫數據監控軟件時，由于未在電路中集成 ZigBee通信模塊，因此須根據 ZigBee總線協議采用 C 語言二級編程進行編寫。由于 ZigBee 通信接口與轉換接口嵌入了專用的通信協議，其運行成本會有所提高，但由于終端接口中的 PC 協議，在編寫 DP 中心 控制軟件時，不需要采用 C 語言二級語言編程編寫，其發送數據與接收數據都可由傳輸通道中的單片機來自動完成，既節約了運行成本，又節省了編寫中心程序軟件的時間，因此該系統采用前者連接方式。

　　3 實驗研究

　　為了驗證文中提出的基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統的有效性，與傳統基于可編程控制器的高原地區燃油煙氣排放監測系統、基于 CAN 的高原地區燃油煙氣排放監測系統進行對比實驗。監控準確率實驗結果如表 1所示。

　　根據表 1 可知，基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統監測結果準確率要高于傳統系統準確率。監測耗時實驗結果如圖 6所示。

　　多次實驗結果表明，文中提出的監測系統耗時更短，能夠在更短的時間內完成數據的監控任務。文中提出的系統通過 ZigBee 完成數據通信，通過 IEEE 802.15.4 標準規范實現信息交互，從而更加安全可靠地完成監測。燃油煙氣排放監測系統可以保存3年以上的實時監測排放數據，并且能搜索、顯示以及打印各種圖文報表。長期的運營維護表明，該監測系統可靠性高、維護方便，測量數據精度高、成本低，對于控制高原地區燃油煙氣排放起到了重要作用。

　　綜上所述，基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統監控能力更強，監控效果更好，更加適用于實際應用。

　　4 結束語

　　基于 ZigBee 的高原地區燃油煙氣排放監測系統的設計目的是采集高原地區燃油煙氣排放過程中產生的污染物排放數據，提供實時的高原地區燃油煙氣排放污染物的數據參數以及真實情況，并指導監測系統控制燃油煙氣污染物的排放。環保部門就可以掌握高原地區燃油煙氣排放情況，由于高原地區海拔高，氣候特殊，工作人員采集實時數據較困難，文中提出的系統大大降低了工作人員采集高原地區燃油煙氣排放數據的難度，提高了在運營維護、自動循環監控、實時排放數據更新維護等方面的工作效率。