基于 ZigBee的高原地区燃油烟气排放监测系统设计

　　摘要：目前设计的高原地区燃油烟气排放监测系统监测准确率较低，导致监测时间过长。为了解决上述问题，基于 ZigBee 设计了一种新的高原地区燃油烟气排放监测系统，优化设计了系统的硬件和软件。系统硬件选用了 SIMENS公司生产的 Ultramat 23经济型多组分 NDIR 红外气体分析仪，能够更好地适应高原地区，应用 PIC16F877A 单片机提高传输速率，通过 SPC3 完成数据通信。利用 PC机进行数据监控，引入 C语言和汇编语言混合编程实现软件工作。实验结果表明，基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统能够有效提高监控系统准确率，降低监测时间。

　　关键词：ZigBee;高原地区;燃油烟气;排放监测;监测系统

　　郭永谦 电子设计工程 2022-01-05

　　目前，燃油电厂烟气排放自动循环监测系统已经建成，基本实现了燃油烟气电厂重要污染源排放情况的自动监测，但由于高原地区具有海拔高、气温低、辐射强、降水少、风力强等气候特点，因此燃油烟气排放更加困难[1] 。原有建成的排放系统在运营保障、自动循环监控、数据维护更新等方面存在的问题逐渐暴露出来，上述问题很有可能造成更大范围的污染，对人类的生产生活造成较大的影响。环保部门要求条件好的省市安装燃油烟气排放自动监测系统，对排放过程中产生的污染物，进行实时监测，对排放处理产生的重要过程参数进行统一记录，并且建立与此相关的模型，对治理燃油烟气排放过程进行实时监测以及对它的运行状态进行分析[2-4] 。

　　传统的燃油烟气监控系统在监控整体性能上存在问题，尤其是解决高原地区海拔过高问题的能力较差。综上所述，该文基于 ZigBee 技术设计了一种新的高原地区燃油烟气排放系统，对系统的硬件以及软件进行了设计。

　　1 系统硬件设计

　　文中设计的基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统硬件由传感器、处理器、通信器三部分组成，系统硬件的组成结构如图 1所示[5-6] 。现场监测的智能站通过 ZigBee 接口电路与总机相连接，现场监测采集的数据由智能从站的处理器处理后通过 ZigBee 总机上传给控制现场的 PC，控制现场的 PC 通过处理实时数据形成图形信息，并最终显示出来。控制现场的 PC 通过事先拟好的数据协议使以太网与远程控制系统的 PC 形成实时控制网络，以此进行实时远程监控[7-9] 。

　　1.1 传感器传感器模块如图 2所示[10-11]

　　根据图 2 可知，传感器模块通过采样探头采集残存的燃油烟气，然后利用模块传输通道将燃油烟气样品传输到燃油烟气分析系统，进而来分析燃油烟气所产生污染物的浓度，如果浓度过高，可通过红外气体分析仪进行降解直至浓度正常。燃油烟气测量系统可测量烟气流量，再结合烟气浓度算出燃油烟气排放污染物的总量[12-13] 。

　　1.2 处理器

　　系统处理器模块采用中央处理器PIC318F87单片机，完成信号转换，经中央处理器处理后进行数据传输，将数据传输至外部扩展 Flash 存储器，完成数据更新[14-15] 。

　　1.3 通信器

　　通信器模块如图 3 所示，通信器电路图如图 4 所示。通信器采用 SKRO3，它是一种基于 ZigBee 总机的智能化探头芯片，里面的存储区存有较为完整的 PD 器，包括远程寄存器、动态寄存器、状态寄存器、流通寄存器，各种各样的缓冲器以及缓冲样品。它们位于可调节的缓冲区里，方便记录在通信过程中产生的集成样品以及样品数据。它的内部存有 2 kB 的 WAM，带有 6 位样码，中间有 5 个连接端，供各种缓冲器进行连接使用。存储器分为 200 段，每段包含 10 个字节，使用者可以立刻寻址，这种通信器支持所有传感器和处理器进行转换。

　　2 系统软件设计

　　对比单片机与其中心软件结合的方法，将协议芯片与单片机相结合，能够大大减少通信控制状态体系的内部程序。ZigBee 通信协议附加于 SRE3 中，可由集成电路得以实现。在运行这个方案的过程中，单片机把处理器处理过的数据发送给 SRE3， SRE3 根据内部通信工程事先嵌入的协议把数据发送到 ZigBee 总线上。SRE3 从 ZigBee 总线上采集数据并放入接收区，接收的数据在缓冲区进行数据缓冲。终端控制系统通知单片机从接收区取走并记录数据，智能从站通信软件是单片机与 SRE3数据传输的通道。开发智能从站通信软件是比较艰辛且复杂的过程，采用 C 语言混合编程方法，为智能从站通信软件的顺利编程提供便利，大大提高了开发效率和运行速度[16] 。系统软件流程如图 5所示。

　　在编写数据监控软件时，由于未在电路中集成 ZigBee通信模块，因此须根据 ZigBee总线协议采用 C 语言二级编程进行编写。由于 ZigBee 通信接口与转换接口嵌入了专用的通信协议，其运行成本会有所提高，但由于终端接口中的 PC 协议，在编写 DP 中心 控制软件时，不需要采用 C 语言二级语言编程编写，其发送数据与接收数据都可由传输通道中的单片机来自动完成，既节约了运行成本，又节省了编写中心程序软件的时间，因此该系统采用前者连接方式。

　　3 实验研究

　　为了验证文中提出的基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统的有效性，与传统基于可编程控制器的高原地区燃油烟气排放监测系统、基于 CAN 的高原地区燃油烟气排放监测系统进行对比实验。监控准确率实验结果如表 1所示。

　　根据表 1 可知，基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统监测结果准确率要高于传统系统准确率。监测耗时实验结果如图 6所示。

　　多次实验结果表明，文中提出的监测系统耗时更短，能够在更短的时间内完成数据的监控任务。文中提出的系统通过 ZigBee 完成数据通信，通过 IEEE 802.15.4 标准规范实现信息交互，从而更加安全可靠地完成监测。燃油烟气排放监测系统可以保存3年以上的实时监测排放数据，并且能搜索、显示以及打印各种图文报表。长期的运营维护表明，该监测系统可靠性高、维护方便，测量数据精度高、成本低，对于控制高原地区燃油烟气排放起到了重要作用。

　　综上所述，基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统监控能力更强，监控效果更好，更加适用于实际应用。

　　4 结束语

　　基于 ZigBee 的高原地区燃油烟气排放监测系统的设计目的是采集高原地区燃油烟气排放过程中产生的污染物排放数据，提供实时的高原地区燃油烟气排放污染物的数据参数以及真实情况，并指导监测系统控制燃油烟气污染物的排放。环保部门就可以掌握高原地区燃油烟气排放情况，由于高原地区海拔高，气候特殊，工作人员采集实时数据较困难，文中提出的系统大大降低了工作人员采集高原地区燃油烟气排放数据的难度，提高了在运营维护、自动循环监控、实时排放数据更新维护等方面的工作效率。