摘　要：提出一种基于GSM短消息的远程监测系统，应用于没有供电及有线通信条件下的气长输管道野外阀门井内管道压力和燃气泄漏情况的远程监测。在确定系统总体设计的基础乏计了以GSM模块、单片机为核心的硬件系统和以数据采集、发送及处理为主的软件系统，充虑了野外供电和现场电气防爆问题。

关键词：输气管道；  阀门井；  GSM短消；  远程监测

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网络(2G手机网络)是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信网络，GSM短消息(也称短信)业务不需要建立拨号连接，只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目标。GSM短消息的信号传播距离远、可靠性高、覆盖面积广，还可以节省建设专用通信网络的巨额投资，且运营期间用户无需维护网络，运行费用低廉^[1]。

本文把GSM网络引入到远程监测系统中，提出基于GSM短消息的远程监测系统，阐述一个基于GSM的天然气长输管道野外阀门井远程压力及燃气泄漏监测系统的设计。该设计已经在实际生产中得到应用，它可以实现对野外阀门井的压力及燃气泄漏的监测，并有对异常压力及燃气泄漏进行报警的功能，使监控人员能够方便地获知野外阀门井的压力及燃气泄漏浓度值，提高长输管道运行的安全性和运行维护的效率。

2　系统的总体设计

2．1　系统总体框架及工作原理

该系统主要由l2部分组成，包括手机、本地GSM模块、调度中心GSM模块、单片机、压力传感器、可燃气体传感器、本地报警电路、本地报警显示屏、调度中心的数据接收软件、数据库软件、组态软件、显示屏。系统总体框架见图l。

系统工作原理为：单片机定时采集压力及可燃气体传感器的数据，并与设定的报警值进行比对，如果检测数据没有进入报警范围，则采集的数据通过本地GSM模块只发送到调度中心GSM模块，经由串口连接至通信服务器上的数据接收软件。数据接收软件对数据进行解析处理并记录到数据库软件的储存区，由数据库进行储存。数据库内的数据经由组态软件统计，显示在调度中心显示屏上；如果采集数据超出设定报警值，则本地报警系统立即启动，本地报警显示屏显示报警信息，此时采集数据在发送到调度中心的同时，还将把报警信息发送到指定人(企业指定安全负责人或管线巡视维护人员)的手机上。

由于现场每个阀门井中的本地GSM模块上的SIM卡都带有唯一的号码(手机号)，因此，不论是手机还是调度中心的GSM模块，收到短消息后，都可方便地分辨出短消息发自哪一个阀门井，这与我们日常使用手机收发短信是一样的。

2．2　系统核心部件

本系统的核心部件为GSM模块和单片机。

2．2．1GSM模块

GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、储存器、功放器件等集成在一块线路板上而形成的功能模块，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理功能并提供标准接口。

通常所说的GSM模块包括GSM短信模块和GPRS模块两种，统称GSM模块。其中GPRS模块不仅具有收发短信和语音通信功能，还具有GPRS数据传输功能。GSM短信模块只具有收发短信和语音通信功能。本文中所阐述的GSM模块即指GSM短信模块。在本系统中选用GSM短信模块的原因主要有以下两点：

①野外阀门井采用太阳能电池与蓄电池供电，为了减少电力消耗，系统必须采用定时供电，数据采集发送后要暂时关闭主要设备。在定时供电策略下，对系统重启后恢复正常工作的时间提出了苛刻要求。GPRS模块上线速度较慢，上线之后还要建立网络连接，之后才能够传递数据，工作周期长，增加了大量的电力消耗。而GSM短信模块只要开机即可发送短信，重启周期短。

②GPRS传递数据取决于网络连接及网络质量，在网络中断或是远端接收装置工作异常时，传递出的数据无法找回。而GSM短信模块发出的短信内容在远端接收装置工作异常时不会丢失。这跟生活中一样，如果在某人手机关机时向其发送短信，在重新开机后，短信会自动发送到该手机上。

本系统使用单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令(一种调制解调器命令语言)来控制GSM模块，以实现各种无线通信功能^[2]。

2．2．2单片机

单片机是一种可通过编程控制的微处理器。单片机芯片自身不能单独运用于某项工程或产品上，它必须要靠外围数字器件或模拟器件的协调才能发挥其自身的强大功能。

本系统采用STC89C52RC单片机，主要用于对阀门井内天然气管道压力传感器、可燃气体传感器采集到的压力及燃气泄漏浓度的原始数据进行处理，判断是否开启现场报警电路报警，并将数据通过GSM短信模块发送至远端接收装置(调度中心GSM模块和手机)。

3　系统硬件设计

3．1　GSM模块TC35

在野外阀门井监测点和调度中心，数据的接收和发送采用GSM模块TC35，它具有语音呼叫、数据呼叫、短消息等多种功能，本系统主要采用GSM模块TC35的短消息接收和发送功能，模块内部结构见图2。

3．2　单片机STC89C52RC

STC89C52RC是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机。片内设置有4kb的可反复擦写的只读程序储存器和128bytes的随机储存器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失储存技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，并置有通用8位中央处理器(CPU)和Flash储存单元，功能强大^[3]。

GSM模块与单片机通信采用标准串行通信接口RS-232。单片机CPU外部储存器及外部振荡电路设计的特点：外部振荡器采用谐振器、并行方式的晶体、电容或者RC网络来配置系统时钟。CPU在复位后首先从内部振荡器启动，达到稳定状态后，CPU既可以运行内部振荡器，也可接外部时钟，并可在程序运行时实现内、外部时钟的切换。以上的功能在低功耗应用系统中非常有效。本系统选用11.0592MHz的无源品振连接到CPU的XTALl／XTAL2引脚上，作为外部振荡器的输入时钟。

3．3　LED报警显示屏设计

LED显示屏的工作原理为：LED显示是用发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管，它由8个发光二极管构成，通过不同的组合可显示0～9、A～F及小数点。本地LED显示屏安装在采集单元防水箱的面板上，便于巡视人员观察、读取数据。

考虑到能耗问题，本地显示系统也可考虑采用液晶显示的方式。

3．4　备电支持

由于系统中的传感器、数据采集模块需要布置在野外阀门井监测点内，周围环境大多为蛮荒野地，无法得到市电接入，而单纯使用蓄电池支持，则需要定期去更换。采用太阳能电池与蓄电池联合供电，就可以很好地解决备电支持需求^[4]。

3．5　系统防爆设计

天然气是易燃易爆气体，野外阀门井又是一个相对密闭的空间环境，因此，一旦发生天然气泄漏并达到爆炸极限，遇点火源就会引发爆燃事故。为此，该系统采用了防爆设计，阀门井内安装的压力传感器及可燃气体传感器均采用本质安全型仪表，而非防爆的采集单元则部署在距离阀门井超过4.5m的设备安装杆上，并使用安全栅与井内压力和可燃气体传感器进行电气隔离，从根本上满足了防爆要求^[5]，详见图3。

4　系统软件设计

4．1　系统软件设计基础

本系统的重点即为解决调度中心与野外阀门井监测设备的远程无线通信问题，系统中采用GSM模块TC35实现两者的数据通信，GSM模块TC35通过AT命令来进行控制，数据传输则采用短消息方式。AT命令和短消息的编码、解码方式是系统软件设计的基础。

4．2　现场阀门井系统软件总体流程设计

现场阀门井系统软件总体流程见图4，分为串口初始化程序、TC35初始化程序、压力及燃气浓度信号采集程序、压力及燃气浓度信号数据上传程序、短信报警程序及近程报警程序，都利用C语言进行编程。

4．2．1串口初始化程序

STC89C52RC单片机与GSM模块的通信是通过串口来实现的，因此都要对串口进行初始化，以便使STC89C52RC单片机与GSM模块之间能够进行正常的通信。

4．2．2 GSM模块TC35初始化程序

对GSM模块TC35初始化是为了给单片机控制GSM模块发送报警信息给用户做准备。初始化启动后，单片机向TC35发送初始化AT指令，如果TC35接收到指令并回复“OK”后，初始化过程结束；如果没有回复“OK”，则重新初始化。

4．2．3压力及燃气浓度采集程序

野外阀门井中的天然气管道压力及燃气浓度需要用相应的传感器来进行采集，本系统采用本质安全型传感器采集阀门井内天然气管道的压力及燃气浓度。

系统按照设定频率，定时启动数据采集，采集过程严格控制传感器供电时间，既充分考虑了低功耗需求，又可以避免供电时间太短造成传感器数据未达到稳定水平。压力及燃气浓度信号采集流程见图5。

4．2．4压力及燃气浓度信号数据上传程序

系统会将定时采集到的压力及燃气浓度信号数据，以短信形式定时向调度中心接收端GSM模块发送，详见图6。

4．2．5短信报警信息发送及本地报警显示程序

在系统监测到压力及燃气浓度异常时，会开启本地报警电路，同时会给调度中心和指定人手机发送一个报警信息，详见图7。

5　结语

GSM野外阀门井压力及燃气浓度监测系统利用GSM无线通信技术动态采集数据，并与远端数据接收装置建立快捷的数据通信通道，把采集的数据定时发送到远端监测中心。监测中心在获取数据后，将原始数据换算为标准工程单位数据，并将数据储存在标准格式数据库中，实现了野外监测点的数据同监测中心组态的无缝连接。同时，一旦出现超限报警，其报警信息将以短信的形式发送到指定人手机上，从而实现全天候及时掌握运行情况，为天然气长输管道安全运行提供了可靠保证。

实际应用结果表明，将GSM短消息方式应用于监测系统是切实可行的。它作为一种先进的监测手段，在一定程度上解决了人工巡线对野外天然气阀门井检查不及时的问题，为天然气长输管道的安全运行提供了保证。基于GSM短消息的远程监测系统具有其他监测系统无法比拟的优势，具有广阔的应用扩展空间。

参考文献：

[1]邵华．GPRS技术在燃气SCADA系统的应用[J]．煤气与热力，2007，27(2)：33-37．

[2]赵大成，贾海燕．手机短信收发的AT指令控制[J]．信息工程大学学报，2004(2)：90-92．

[3]熊慧，尤一鸣．MC68单片机入门与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006：166-168．

[4]宋来弟，张永昭，曹印锋．风、光互补供电系统在燃气调压站／箱上的应用[J]．城市燃气，2012(12)：21-24．

[5]黄春芳．油气管道仪表与自动化[M]．北京：中国石化出版社，2009：198-226．

本文作者：付晋津

作者单位：天津市陕津天然气集输有限公司