基于物联网的高精度超声波气体流量监测系统设计

郑高原，佘世刚

(常州大学机械工程学院，江苏常州 213164)

0 引言

由于超声波流量计具有测量稳定、无压损、大量程等优点，所以在天然气测量方面已经得到普及，为了得到更好的气体流量测量结果，吴元良等使用TDC-GP2数字计时芯片提高了流量计对上下游气体流速的测量精度[1],危鄂元、李红娟等使用升级产品TDC-GP21，使用低功耗单片机MSP430作为主控MCU，提升了测量流量精度的同时，降低了整体系统的功耗[2-3]。高正中等采用了TDC-GP22芯片中集成的屏蔽功能，减少了由于流体扰动或由气泡造成的测量误差，在保证了测量精度的前提下提高了超声波信号的质量[4]。

现在的气体流量测量的检测精度依然较低，在气体流量测量方面依然不尽人意。同时，现有的超声波气体流量计大多都不具备检测周围安装环境是否变化的功能，在周边发生极端危险的情况下不能提出警告。现在市面上大部分流量计采用有线方式传输数据，这种方式在有多个节点进行数据收集时布线十分繁琐，在工作环境下特别是气体流量计需要环境监控的情况下很难得到利用。而随着通信技术的发展，大量工作在复杂环境下的仪器也开始采用物联网无线通讯的方式传递数据[5-6]，因此就需要针对以上的问题设计一种基于物联网的拥有较高测量精度且可以感知多种环境参数的仪器来进行气体流量测量、环境的有效监控和数据的无线传输。

本文设计了一种基于物联网MQTT协议和ESP8266以及MAX35104芯片为主体的高精度超声波气体流量监测系统，可进行高精度气体流量测量，使用ESP8266无线芯片作为通信芯片，利用DHT22温湿度模块以及MQ-4天然气甲烷传感器测量温湿度以及可燃气体(主要是天然气)，作为环境安全预警模块，该系统可以监测监控环境下的温度、湿度、甲烷浓度以及工作状态下管道中的气体流量，有效减少现场布线，具有成本低、可扩展性好、可靠性高等特点。

1 系统结构及原理

1.1 系统的总体架构

系统的总体架构分为工作环境数据采集、超声波流量计流量测量、传感器数据传输3部分。DHT22温湿度传感器、天然气浓度传感器负责采集实时的数据。使用新型MAX35104计时芯片进行流量时差法测量。由ESP8266通信芯片通过WiFi将数据传输到云平台。可通过电脑或手机查看平台观看监测的数据。如图1所示。

图1 系统总体设计

传感器数据传输由传感器环境设备信息采集节点，MCU(STM32单片机)、WiFi模块(ESP8266)组成，传感器配置由温湿度传感器(DHT22)，甲烷浓度传感器(MQ-4)、超声波流量测量模块组成，传感器数据在MCU汇总之后通过USART3串口传输至ESP8266通信模块，模块使用WiFi方式连接网络，将数据传输到云平台，工作环境发生异常时可以通过网络产生警告，可通过云平台使用电脑或手机查看流量测量信息。

1.2 超声波气体流量测量原理

超声波气体流量测量采用时差法测量气体流量，时差法测量原理就是利用超声波在顺流和逆流情况下的运动时间差来测量气体流量[7-10]，如图2所示。

图2 超声波气体流量计时差法原理图

图2中，A和B为超声波换能器，L为超声波换能器A和B发出的超声波的运动距离，c为超声波在管道气体中的运动速度，θ为两换能器的直线距离与管道轴线的夹角角度，D为管道直径，v为管道中气体流量的流速。声道长公式为

通过计算超声波在顺流和逆流情况下的运动速度差，可以得到超声波探头所发出的超声波在管道中的顺流、逆流传播时间tAB,tBA：

式中τ为硬件电路的延迟时间。

由传播时间公式可知超声波顺逆流情况下的传播时间差为

式中v2cos2θ和c2相比可以忽略不计，故Δt简化为

即可计算出流速v为

管道中的流体在流动时有层流和紊流2种状态，由于流体在测量管道的横截面上有不同的流速情况分布，单独计算出v只是管道截面上沿声道线的流速平均速度，不能完全真实地显示实际环境下的管道内流速分布状况，所以引入vm作为管道截面的平均流速，现实状况下的流体流量应为管道的横截面积A乘以其面平均流速vm，需要引入流场修正系数K对线平均流速进行补偿：

从而可得瞬时体积流量Q[11]表示为

流场修正系数K的经验公式如下[12]:

可见需要求出雷诺数才可以知道流场修正系数，而雷诺数的计算公式为

式中：ρ为流体的密度；η为黏性系数。

1.3 MQTT协议原理

MQTT是远程医疗通信协议，MQTT提供发布/订阅的消息机制，基于TCP/IP协议实现设备连接，由于其简单，规范，消耗流量小而被广泛使用。

MQTT的发布者，也就是设备感应端主要是以STM32为主核心的控制设备，设备通过收集超声波流量计测量的数据、温湿度数据和天然气浓度数据实现，MQTT的网络层就是MQTT服务器，服务器进行基于MQTT协议的消息订阅与发布，收集感应端传送的数据，将信息传送到应用层的手机端(Android)和PC端，且等待应用端的命令。MQTT的应用层即安卓端与PC端，可以通过接收网络数据实时监控工作环境的情况与气体测量的数据，可通过发送命令来确认设备状态。MQTT的应用模型如图3所示。

图3 MQTT协议应用于物联网的模型

2 系统硬件设计

系统硬件设计包含2个部分，传感器信息收集部分与数据无线收发部分。

2.1 传感器信息收集部分

传感器信息收集部分主要由主控制单元MCU(STM32F103ZET6)、各数据收集单元组成，具体设计如图4所示。

图4 传感器信息收集部分

2.1.1 环境监测部分

测量温湿度选择DHT22传感器，DHT22使用SDA为串行数据双向口，用于读写传感器数据。湿度量程范围为相对湿度0～99%，精度为±2%，而温度量程范围为-40～80 ℃，精度为±0.5 ℃。

测量天然气浓度选择MQ-4。MQ-4气体传感器的使用温度是-10～50 ℃，可适用于检测浓度在300～10 000 ppm(1 ppm=10-6)范围内的天然气浓度。通过连接STM32F103的A/D模数转换接口，测量接口电压来计算所测气体浓度。

2.1.2 超声波气体检测部分

超声波气体测量采用MAX35104芯片，它是新一代燃气流量计片上系统，拥有大量通过SPI传送的气体流量测量命令，极大地简化编程。可将超声波的测量精度提升至700 ps，且可在2.3～3.6 V单电源供电情况下进行62 μA超低功耗时间测量。可工作在-40～80 ℃。可通过命令执行自动校准操作，如果发生错误，则中断状态寄存器中的TO位置1，INT引脚被置位。拥有多个执行操作码命令，可进行上游测量，下游测量，上下游测量时间差，初始化，复位，带通校准，事件1、2、3等命令。内置的转换结果寄存器直接储存超声波测量的时间差数据，可以直接通过SPI接口进行读取，最大程度地减少MCU对MAX35104的访问。MAX35104芯片电路图如图5所示。

2.2 数据收发部分

数据收发部分采用ESP8266WIFI通信模块进行数据的收发与传输，电路图如图6所示。

ESP8266-12F集成ESP8266EX核心芯片,有标准数字外设接口、天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器、电源管理模块以及一片EN25Q32FLASH芯片等。支持WiFi协议栈,工作频率稳定在160 MHz,ESP8266拥有11个可扩展I/O接口,其中，GPIO12、GPIO13、GPIO15可作为PWM通道；GPIO12(MISO)、GPIO13(MISI)、GPIO14(CLK)、GPIO15(CS)可作为SPI接口，GPIO5(SCL)、GPIO4(SDA)可作为IIC接口。

3 系统软件设计

在超声波收发测量系统的软件设计中，主要包括3部分：物联网数据收发程序；超声波气体流量测量程序；终端软件设计。

3.1 物联网数据收发软件设计

物联网数据收发程序基于STM32固件库进行库函数开发。对比寄存器开发，通过STM32的官方库函数进行开发可以大量减少程序的开发时间，从而降低开发成本[13]。

通电之后，初始化网络协议，连接协议中设置的WiFi网络，如果初始成功则开始监视超声波传感器与其他传感器的工作状态，通过第三方决定是否开始进行测量，采集的数据要先通过数据处理之后才能通过定义的数据点将数据使用USART3接口传输到ESP8266芯片，再通过芯片接入WiFi从而与云服务器通信，如果等待30 s之后仍然不能连接，则等待选择其他接入方式，如果使用获取到的ssid和pwd成功连上路由，则发送配置成功包，设备与网络服务器数据交互采用MQTT协议，每55 s检验是否离线。物联网数据收发程序流程如图7所示。

图5 MAX35104外围电路图

图6 ESP8266核心电路图

图7 物联网数据收发程序流程图

3.2 超声波气体流量测量程序

超声波气体测量主要通过MAX35104芯片实现，在MAX35104通过SPI发送多种指令来使用芯片中的计时模式，比如为了测量气体流量，本文使用的EVTMG2(操作码08h)操作命令。

通过SPI与MAX35104进行通信，CE(-)为低电平之后，对EVTMG2操作命令设置测量的频率、测量的次数等剩余的寄存器。然后设备发送EVTMG2，一旦操作码的所有8位由MAX35104接收，CE(-)器件引脚被置为无效，则设备按照该命令的描述开始执行指定的飞行时间测量流程，最后通知微处理器读取所测量的数据。操作码位首先以8位MSB的形式传送。数据位以16位MSB为单位传输。图8为MAX35104的主控制器时间测量流程图。

图8 MAX35104的EVTMG2指令时间测量流程图

3.3 终端程序设计

终端程序分为PC端与手机端，PC端采用GAgent平台的网络串口传输，直接从云端通过http网络页面的方式获取设备通过WiFi上报的数据。

手机端使用JAVA语言和Android Studio软件开发,在美化监控界面与定义所接收发送的数据点之后，手机通过网络与GAgent建立的云服务器相连，设备与网络建立连接之后，通过手机APP接收浏览数据，移动性相比电脑极大增强。具体的手机监控界面如图9所示。

图9 手机端监控页面UI

4 实验结果与分析

为了验证ESP8266连接网络服务器上传数据的可行性，设计物联网通信程序，使STM32将传感器感应的温度、湿度、甲烷浓度以及流量通过云服务器收发读取。测试用于验证温度、湿度、甲烷浓度、流量测量运行正确与否。实验结果验证了设计网络工作的可行性。

在行业标准JJG1030-2007流量计检定规程下进行试验，使用行业中常用的Z式安装法安装超声波探头，采用管径DN100的管道，安装角度为45°，将流量计测量结果与LUGB100 mm直径的涡街气体流量计在相同的环境条件下进行对照，按照JJG1030—2007流量计检定规程，对于本次选择的对照流量计，按照其精度与量程选取6个检定点，分别是qmin(10 m3/h)，qt(84 m3/h),0.25qmax(125 m3/h),0.4qmax(200 m3/h)，0.7qmax(350 m3/h),qmax(500 m3/h)。分3种环境下进行测量18次，通过结果计算误差值。在流量计工作以及休眠的同时，温湿度探测与甲烷浓度探测继续进行，每1 h记录数据。测试结果如图10所示。

(a)某天温度测量情况

(b)某天相对湿度测量情况

(c)测量甲烷浓度

(d)测量流量相对误差图10 测试结果

5 结束语

经过实验室检测后，认为基于物联网的气体流量监控系统达到设计要求。在进行现场检测时，可以实现温度、空气湿度和甲烷浓度的采集，气体流量的测量。该流量监控系统可以帮助工作人员更好地监控现场，减少现场布线，具有实用性和有效的监控实时性。