摘　要：提出一種基于GSM短消息的遠程監測系統，應用于沒有供電及有線通信條件下的氣長輸管道野外閥門井內管道壓力和燃氣泄漏情況的遠程監測。在確定系統總體設計的基礎乏計了以GSM模塊、單片機為核心的硬件系統和以數據采集、發送及處理為主的軟件系統，充慮了野外供電和現場電氣防爆問題。

關鍵詞：輸氣管道；  閥門井；  GSM短消；  遠程監測

Remote Monitoring System for Natural Gas Valve Pits Based on GSM Short Message

Abstract：A remote monitoring system based on GSM short message is presented，which is used for remote monitoring the pipeline pressure and gas leakage in field valve pits of natural gas transmission pipeline under the condition of no power supply and wired communieation．Based on determining the overall design of the system，a hardware system that takes GSM module and MCU for core and a software system composed mainly of data acquisition，transmission and processing are designed with full consideration of the field power supply and site electrical explosion proofing．

Keywords：gas transmission pipeline；valve pit；GSM short message；remote monitoring

1　概述

GSM網絡(2G手機網絡)是目前基于時分多址技術的移動通信體制中最成熟完善、覆蓋面最廣、功能最強、用戶最多的移動通信網絡，GSM短消息(也稱短信)業務不需要建立撥號連接，只需把待發的消息加上目的地址發送至短消息中心，再由短消息中心轉發到最終目標。GSM短消息的信號傳播距離遠、可靠性高、覆蓋面積廣，還可以節省建設專用通信網絡的巨額投資，且運營期間用戶無需維護網絡，運行費用低廉^[1]。

本文把GSM網絡引入到遠程監測系統中，提出基于GSM短消息的遠程監測系統，闡述一個基于GSM的天然氣長輸管道野外閥門井遠程壓力及燃氣泄漏監測系統的設計。該設計已經在實際生產中得到應用，它可以實現對野外閥門井的壓力及燃氣泄漏的監測，并有對異常壓力及燃氣泄漏進行報警的功能，使監控人員能夠方便地獲知野外閥門井的壓力及燃氣泄漏濃度值，提高長輸管道運行的安全性和運行維護的效率。

2　系統的總體設計

2．1　系統總體框架及工作原理

該系統主要由l2部分組成，包括手機、本地GSM模塊、調度中心GSM模塊、單片機、壓力傳感器、可燃氣體傳感器、本地報警電路、本地報警顯示屏、調度中心的數據接收軟件、數據庫軟件、組態軟件、顯示屏。系統總體框架見圖l。

系統工作原理為：單片機定時采集壓力及可燃氣體傳感器的數據，并與設定的報警值進行比對，如果檢測數據沒有進入報警范圍，則采集的數據通過本地GSM模塊只發送到調度中心GSM模塊，經由串口連接至通信服務器上的數據接收軟件。數據接收軟件對數據進行解析處理并記錄到數據庫軟件的儲存區，由數據庫進行儲存。數據庫內的數據經由組態軟件統計，顯示在調度中心顯示屏上；如果采集數據超出設定報警值，則本地報警系統立即啟動，本地報警顯示屏顯示報警信息，此時采集數據在發送到調度中心的同時，還將把報警信息發送到指定人(企業指定安全負責人或管線巡視維護人員)的手機上。

由于現場每個閥門井中的本地GSM模塊上的SIM卡都帶有唯一的號碼(手機號)，因此，不論是手機還是調度中心的GSM模塊，收到短消息后，都可方便地分辨出短消息發自哪一個閥門井，這與我們日常使用手機收發短信是一樣的。

2．2　系統核心部件

本系統的核心部件為GSM模塊和單片機。

2．2．1GSM模塊

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、儲存器、功放器件等集成在一塊線路板上而形成的功能模塊，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理功能并提供標準接口。

通常所說的GSM模塊包括GSM短信模塊和GPRS模塊兩種，統稱GSM模塊。其中GPRS模塊不僅具有收發短信和語音通信功能，還具有GPRS數據傳輸功能。GSM短信模塊只具有收發短信和語音通信功能。本文中所闡述的GSM模塊即指GSM短信模塊。在本系統中選用GSM短信模塊的原因主要有以下兩點：

①野外閥門井采用太陽能電池與蓄電池供電，為了減少電力消耗，系統必須采用定時供電，數據采集發送后要暫時關閉主要設備。在定時供電策略下，對系統重啟后恢復正常工作的時間提出了苛刻要求。GPRS模塊上線速度較慢，上線之后還要建立網絡連接，之后才能夠傳遞數據，工作周期長，增加了大量的電力消耗。而GSM短信模塊只要開機即可發送短信，重啟周期短。

②GPRS傳遞數據取決于網絡連接及網絡質量，在網絡中斷或是遠端接收裝置工作異常時，傳遞出的數據無法找回。而GSM短信模塊發出的短信內容在遠端接收裝置工作異常時不會丟失。這跟生活中一樣，如果在某人手機關機時向其發送短信，在重新開機后，短信會自動發送到該手機上。

本系統使用單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令(一種調制解調器命令語言)來控制GSM模塊，以實現各種無線通信功能^[2]。

2．2．2單片機

單片機是一種可通過編程控制的微處理器。單片機芯片自身不能單獨運用于某項工程或產品上，它必須要靠外圍數字器件或模擬器件的協調才能發揮其自身的強大功能。

本系統采用STC89C52RC單片機，主要用于對閥門井內天然氣管道壓力傳感器、可燃氣體傳感器采集到的壓力及燃氣泄漏濃度的原始數據進行處理，判斷是否開啟現場報警電路報警，并將數據通過GSM短信模塊發送至遠端接收裝置(調度中心GSM模塊和手機)。

3　系統硬件設計

3．1　GSM模塊TC35

在野外閥門井監測點和調度中心，數據的接收和發送采用GSM模塊TC35，它具有語音呼叫、數據呼叫、短消息等多種功能，本系統主要采用GSM模塊TC35的短消息接收和發送功能，模塊內部結構見圖2。

3．2　單片機STC89C52RC

STC89C52RC是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機。片內設置有4kb的可反復擦寫的只讀程序儲存器和128bytes的隨機儲存器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失儲存技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，并置有通用8位中央處理器(CPU)和Flash儲存單元，功能強大^[3]。

GSM模塊與單片機通信采用標準串行通信接口RS-232。單片機CPU外部儲存器及外部振蕩電路設計的特點：外部振蕩器采用諧振器、并行方式的晶體、電容或者RC網絡來配置系統時鐘。CPU在復位后首先從內部振蕩器啟動，達到穩定狀態后，CPU既可以運行內部振蕩器，也可接外部時鐘，并可在程序運行時實現內、外部時鐘的切換。以上的功能在低功耗應用系統中非常有效。本系統選用11.0592MHz的無源品振連接到CPU的XTALl／XTAL2引腳上，作為外部振蕩器的輸入時鐘。

3．3　LED報警顯示屏設計

LED顯示屏的工作原理為：LED顯示是用發光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數碼管，它由8個發光二極管構成，通過不同的組合可顯示0～9、A～F及小數點。本地LED顯示屏安裝在采集單元防水箱的面板上，便于巡視人員觀察、讀取數據。

考慮到能耗問題，本地顯示系統也可考慮采用液晶顯示的方式。

3．4　備電支持

由于系統中的傳感器、數據采集模塊需要布置在野外閥門井監測點內，周圍環境大多為蠻荒野地，無法得到市電接入，而單純使用蓄電池支持，則需要定期去更換。采用太陽能電池與蓄電池聯合供電，就可以很好地解決備電支持需求^[4]。

3．5　系統防爆設計

天然氣是易燃易爆氣體，野外閥門井又是一個相對密閉的空間環境，因此，一旦發生天然氣泄漏并達到爆炸極限，遇點火源就會引發爆燃事故。為此，該系統采用了防爆設計，閥門井內安裝的壓力傳感器及可燃氣體傳感器均采用本質安全型儀表，而非防爆的采集單元則部署在距離閥門井超過4.5m的設備安裝桿上，并使用安全柵與井內壓力和可燃氣體傳感器進行電氣隔離，從根本上滿足了防爆要求^[5]，詳見圖3。

4　系統軟件設計

4．1　系統軟件設計基礎

本系統的重點即為解決調度中心與野外閥門井監測設備的遠程無線通信問題，系統中采用GSM模塊TC35實現兩者的數據通信，GSM模塊TC35通過AT命令來進行控制，數據傳輸則采用短消息方式。AT命令和短消息的編碼、解碼方式是系統軟件設計的基礎。

4．2　現場閥門井系統軟件總體流程設計

現場閥門井系統軟件總體流程見圖4，分為串口初始化程序、TC35初始化程序、壓力及燃氣濃度信號采集程序、壓力及燃氣濃度信號數據上傳程序、短信報警程序及近程報警程序，都利用C語言進行編程。

4．2．1串口初始化程序

STC89C52RC單片機與GSM模塊的通信是通過串口來實現的，因此都要對串口進行初始化，以便使STC89C52RC單片機與GSM模塊之間能夠進行正常的通信。

4．2．2 GSM模塊TC35初始化程序

對GSM模塊TC35初始化是為了給單片機控制GSM模塊發送報警信息給用戶做準備。初始化啟動后，單片機向TC35發送初始化AT指令，如果TC35接收到指令并回復“OK”后，初始化過程結束；如果沒有回復“OK”，則重新初始化。

4．2．3壓力及燃氣濃度采集程序

野外閥門井中的天然氣管道壓力及燃氣濃度需要用相應的傳感器來進行采集，本系統采用本質安全型傳感器采集閥門井內天然氣管道的壓力及燃氣濃度。

系統按照設定頻率，定時啟動數據采集，采集過程嚴格控制傳感器供電時間，既充分考慮了低功耗需求，又可以避免供電時間太短造成傳感器數據未達到穩定水平。壓力及燃氣濃度信號采集流程見圖5。

4．2．4壓力及燃氣濃度信號數據上傳程序

系統會將定時采集到的壓力及燃氣濃度信號數據，以短信形式定時向調度中心接收端GSM模塊發送，詳見圖6。

4．2．5短信報警信息發送及本地報警顯示程序

在系統監測到壓力及燃氣濃度異常時，會開啟本地報警電路，同時會給調度中心和指定人手機發送一個報警信息，詳見圖7。

5　結語

GSM野外閥門井壓力及燃氣濃度監測系統利用GSM無線通信技術動態采集數據，并與遠端數據接收裝置建立快捷的數據通信通道，把采集的數據定時發送到遠端監測中心。監測中心在獲取數據后，將原始數據換算為標準工程單位數據，并將數據儲存在標準格式數據庫中，實現了野外監測點的數據同監測中心組態的無縫連接。同時，一旦出現超限報警，其報警信息將以短信的形式發送到指定人手機上，從而實現全天候及時掌握運行情況，為天然氣長輸管道安全運行提供了可靠保證。

實際應用結果表明，將GSM短消息方式應用于監測系統是切實可行的。它作為一種先進的監測手段，在一定程度上解決了人工巡線對野外天然氣閥門井檢查不及時的問題，為天然氣長輸管道的安全運行提供了保證。基于GSM短消息的遠程監測系統具有其他監測系統無法比擬的優勢，具有廣闊的應用擴展空間。

參考文獻：

[1]邵華．GPRS技術在燃氣SCADA系統的應用[J]．煤氣與熱力，2007，27(2)：33-37．

[2]趙大成，賈海燕．手機短信收發的AT指令控制[J]．信息工程大學學報，2004(2)：90-92．

[3]熊慧，尤一鳴．MC68單片機入門與實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006：166-168．

[4]宋來弟，張永昭，曹印鋒．風、光互補供電系統在燃氣調壓站／箱上的應用[J]．城市燃氣，2012(12)：21-24．

[5]黃春芳．油氣管道儀表與自動化[M]．北京：中國石化出版社，2009：198-226．

本文作者：付晉津

作者單位：天津市陜津天然氣集輸有限公司