燃气数字压力记录仪的设计及应用

摘 要：

介绍了SZYJ-01燃气数字压力记录仪的结构、工作原理、主要技术参数、软硬件设计及应用事项，为该类压力记录仪的设计提供了思路。

0 引言

近年来，我国城镇燃气事业迅猛发展，大大提高了社会经济效益，减少了城市大气污染，同时也大大满足了工业企业能源需求，便利了城镇居民生活，相应的各种燃气设备及仪表仪器也得到了大量应用。

随着新一代物联网等信息技术的发展，燃气仪表仪器也逐渐朝着智能化方向发展。本文介绍的SZYJ-01燃气数字压力记录仪是专门用于对燃气管道和压力容器进行压力监测的电子记录装置，它集传感器、智能仪表于一体，采用大容量高性能锂电池供电，无须外部电源，无线传输，无须现场布线。在计算机上通过本公司提供的专用软件平台对数据进行保存、分析和处理，可以从软件上看到历史数据、历史圆盘曲线等，实现对数据的精确测量和控制，因而广泛应用于燃气、热力、化工等需要进行管道严密性及设备工作状态监测的领域。

1 燃气数字压力记录仪的结构和工作原理

该压力记录仪由传感器、壳体、前盖及视窗、后盖、锂电池、集成电路和天线等部分组成。壳体及前后盖采用铝合金高压铸造，结构匀称轻便[1]。电源采用内置一号锂电池，无须外接电源，电量耗尽可重新更换电池，保证长期供电。内部集成电路配备128M存储芯片和物联网卡，可传输存储大量数据信息。

在工作状态下，传感器监测到的压力信号经过处理，存储在芯片中，并定期经天线传送至控制中心。压力记录仪上可以设定上限报警值、下限报警值，当监测压力超过设定值时数据立即进行上传，并在平台上进行报警，还可实时推送到手机微信公众号，方便管理人员实时检查数据。

燃气数字压力记录仪的主要结构如图1所示。

由图1可见，数字压力记录仪有一个传感器，此类型压力记录仪也可称为单通道数字压力记录仪，设计时不用考虑壳体安装方式，直接采用压力记录仪上传感器的连接螺纹连接在管道接口上，安装位置灵活。该记录仪由于采用锂电池供电，不用外接电源，可安装在无电偏僻场所，为燃气压力监测提供了极大的便利。

按照《爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》（GB/T 3836.2—2021），记录仪壳体设计防爆标准为Ex d IIC T6 Gb，防护等级为IP65，可安装在有可燃物泄漏或潮湿的环境，并且记录仪没有外接电源，防护措施安全有效[2]。

压力记录仪传感器采集到的压力信号传送到集成电路处理模块后，数据经过处理可通过物联网卡传送至数据接收平台。数据带时间标签，定时上传，默认每5 min采集一次，一天传输两次。远程数据处理中心根据采集到的压力数据信息对燃气运行状况进行分析处理，确保燃气运行安全。

根据燃气数字压力记录仪的应用环境，为保证压力记录仪的正常工作使用，设计时需要注意以下事项：

（1）压力记录仪经常应用在高温高湿环境中，安装位置一般空间较小，故应注意壳体尽量结构简便，便于拆卸安装。壳体内锂电池属于可更换部件，需注意拆卸锂电池部位的后盖时，要避免后盖和内部电路有接触。

（2）壳体隔爆接触面的长度需满足《爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》（GB/T 3836.2—2021）的最小长度要求，需要螺纹连接的螺纹长度应满足最低要求，以正常取得防爆证书为准[2]。

（3）压力记录仪的数据信息可通过U盘采集，也可通过天线无线传输。对于通过天线无线传输的情况，要在设计时考虑各种型号天线接口都可正常连接，需预留足够的螺纹加工余量，以加工满足各型号天线连接的螺纹孔，并保证螺纹长度符合隔爆螺纹的最小长度要求。

2 主要技术参数

燃气数字压力记录仪的主要技术参数如表1所示。

燃气数字压力记录仪主要用于天然气管道压力信号采集，壳体采用高压铸造铝合金，铸造毛坯件适合大批量压铸生产，铸件轻巧，易于加工[1]。

燃气数字压力记录仪工作环境适用范围广，覆盖国内各个地区，在各种无电偏僻场所、高温高湿或易燃易爆环境等都可应用，量程可根据管道燃气压力情况调整设置，准确度为所选量程范围的0.5级，数据分时段存储，间隔发送。

燃气数字压力记录仪优化内部集成电路，采用低功耗设计，配合使用1号9 000 mW·h锂电池，按标准数据采集上传周期计算，电池可使用三年。当电池电量低于10%后，可拆开压力记录仪保险装置，拧开后盖更换新电池，原采集的数据信息不受影响。

3 硬件设计和软件设计

燃气数字压力记录仪以STM32F103RDT6单片机为核心，由按键、4G全网通模块、LCD屏显、外部存储结构组成，软件部分可设置主动上传数据的时间，通过程序实现节能控制，做到了低功耗。

3.1基本功能

实现读取压力传感器的压力数值，并存储到外部存储中，根据设定的时间读取外部存储的数据，通过无线上传至服务器。

系统启动后如没有外部中断请求，3 min后进入低功耗模式；当产生外部中断包含按键、显示、读取数据、数据传输，跳出低功耗模式，动作操作完成1 min再次进入低功耗模式。总体电路原理图如图2所示。

3.2硬件设计

（1）CPU核心部分：主控芯片选择的STM32F103RDT6是一款经典的主控芯片，该芯片支持多个串口通信，本次设计利用其第2个串口。该芯片支持IIC接口、SPI接口以及多个外部中断；内部低功耗模式，支持内部、外部中断唤醒模式；PWM接口为电池的放电提供了丰富的控制功能，充足的IO口位使按键及显示的功能实现成为可能。主控芯片基本系统图如图3所示。

（2）压力传感器部分：IIC协议的数据传输以字节为基础，按由高位到低位的顺序，传输完成一个字节后，会产生一个返回确认位。数据传输序列是由主机发起，包含设备地址和数据操作位，开始后若SCL处于高电平且SDA电压稳定，传输数据有效；当SCL处于低电平时，才能对SDA电压做操作。IIC工作原理图如图4所示。

（3）4G通信部分：无线通信模块通过串口实现与主控芯片的连接，主控芯片通过串口向通信模块发送不同的控制AT命令，来实现对模块的初始化、入网、数据传输等控制。通信模块系统原理图如图5所示。

（4）外部存储：存储采用外部FLAS存储W25Q128芯片，该芯片采用SPI接口，主控制器将数据写到寄存器SPITXBUF自动发送，数据从SPITXBUF传输到SPIDAT中通过SPISIMO发送，最高位优先；当主控制器接收时，数据通过SPISOMI写入寄存器SPIDAT，低位优先。外部存储图如图6所示。

3.3软件设计

开机后系统初始化，包括按键、显示、通信模块、外部存储、传感器等功能模块部分的初始化，初始化完成后，开始检测中断，包括内部定时、外部请求中断，如果没有中断则系统进入低功耗模式，等待中断请求；如果出现按键中断，则执行点亮显示及按键设置，按键控制操作；当定时数据读取中断产生，则通过IIC协议读取传感器上的数据并且保存至外部存储；当产生通信中断，包括内部定时通信及外部请求上传数据通信时，则执行读取外部储存器内的最新数据并且上传至服务器。中断执行完成后2 min没有新的中断产生，则再次进入低功耗模式。软件流程图如图7所示。

IIC压力传感器接口：根据佰测压力传感器提供的协议，读取压力值的程序如下。

UINT16 uwI2C_ReadPressure(void)

{float f1, f2;

UINT8 ucReadBuf[2];

UINT16 uwPressure;

IIC_CS_HIGH();

SysCtlDelay(100*(SystemCoreClock / 3000));

vI2C_SendOneByte(READ_PRESSURE);

if(blWaitACK() == false)

{vIIC_Stop();

IIC_CS_LOW();

return 0xFFFF;}

ucReadBuf[0] = ucI2C_ReadOneByte();

vACK();

ucReadBuf[1] = ucI2C_ReadOneByte();

vNACK();

vIIC_Stop();

IIC_CS_LOW();

uwPressure = (ucReadBuf[0] & 0x3F) << 8;

uwPressure |= ucReadBuf[1];

f1 = ((float)uwPressure/(float)TFactor - 0.1)*Pz;

f2 = 0.8;

#if P_RANGE_KP == 600 uwPressure = (UINT16)((f1/f2)*100);

#else uwPressure = (UINT16)((f1/f2)*1000); //2019.04.15

#endif return uwPressure;}

SPI外部存储接口：通过SPI接口读写一个字节的代码如下。

UINT8 ucSPI_SendByte(UINT8 ucSendData)

{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

SPI_I2S_SendData(SPI2, ucSendData);

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);}

BC32的通信流程：模块上电后进入自检功能，检测模块的完整性，自检的同时实现模块初始化，包括开机上电时序、网络注册、信号强度以及状态的获取等基本通信链路的建立。

获取需要的通信信息后，则需要建立TCP通信的通道，包括通信IP、端口号等TCP通信参数。

通信完成后则关闭链接。

4 应用说明

根据燃气数字压力记录仪的应用环境，需要根据不同情况设置相应的参数，应用时需要注意以下事项：

（1）显示数据：按击“唤醒键”屏幕依次显示设备地址、量程、实时数据及时间。如：“020503”表示为5月3日生产的第2个序号产品，每个产品编号唯一，然后显示压力量程，如显示“10”表示是10 kPa压力表，最后显示实时采集数据当时时间，左上角表示时间，右下角表示压力。

（2）配置时间及日期：按击“唤醒键”后，显示时间压力后按“时间键”显示当前时间配置，首先显示“分钟”设置，然后点击“U盘键”数值增加，点击“频率键”数值减少，设置完成后再次点击“时间键”显示“小时”设置，依次显示“日”“月”“年”设置同理。设置完成后点击“确认键”完成确认。注意这里“确认键”需要连续点击两次，才能完成时间设置。设置完成后，可以再次点击“唤醒键”查看时间是否设置成功。

（3）NB-IoT设置：点击“唤醒键”后，显示压力后按“U盘键”设置NB-IoT上传时间间隔、上限报警值、下限报警值。首先显示提示已进入“上下限—NB-IoT设置界面”，此界面不需要操作，然后再点击“U盘键”显示的是“上传时间设置”，“00”表示10 min上传一次，“01”表示1 h上传一次，以此类推，点击“时间键”数值增加，点击“频率键”数值减小，然后点击“U盘键”显示的是“压力上限”设置，再点击“U盘键”显示的是“压力下限”设置，最后点击“U盘键”，这时是提示“完成设置”界面，点击“确认键”完成NB-IoT设置。

（4）存储时间设置：存储时间可以由1～59 min设定，出厂默认值为5 min存储一次。点击“唤醒键”后，显示压力后点击“频率键”显示当前存储时间配置，然后点击“时间键”数值增加，点击“U盘键”数值减小。设置完成后，点击“确认键”完成设置存储。存储时间越短，设备的功耗越大，用户根据实际需要进行设置。注意这里设置完成后也需要点击“确认键”两次。

（5）数据查看：每台设备都有自己的专属地址编码，通过软件绑定后直接可以通过软件查看，并通过微信压力报警推送。

（6）微信查看：添加微信公众号“智慧燃气设备监控平台”找到绑定设备，然后扫描设备上的二维码进行微信绑定。

5 结语

本文主要介绍了燃气数字压力记录仪的结构和工作原理、主要技术性能参数和应用场所，同时从设计角度给出了几点注意事项，对实际应用提供了设置步骤，为同类压力记录仪的设计使用提供了思路。

审核编辑：汤梓红