高可靠性可燃气体状态监测及报警设备设计方法与流程

本发明涉及一种无误报警和漏报警的、高可靠性的可燃气体状态监测及报警设备。

背景技术：

在着重生产安全的背景下，气体状态监测及报警设备能够快速地判断可燃气体泄漏，对及时预警赢得宝贵的救援时间起到至关重要的作用，逐渐被消防系统有关部门和生产企业看重。在正常使用条件下，探测器在检验到气体浓度到达危险的临界点时，警报联动器传出报警指示，提示值班员工采用合理处置方案，并且联动后续的设备启动排风装置，切断重要设备及危险设备的电源，再启动喷淋，稀释空间气体浓度或者喷洒其他惰性气份防止危险的发生，进而保障人员设备的安全。

对可燃气体浓度进行监测，是预防因可燃气体泄漏引起火灾、爆炸事故，导致大量人员伤亡、财产损失的重要手段。目前，我国可燃气体检测行业技术发展的主要方向为(1)延长使用寿命(2)增强抗干扰性能，解决误报警和漏报警的问题(3)提高产品智能化，不仅监测可燃气体泄漏，还可以对产品自身性能进行监控。

技术实现要素：

结合可燃气体检测行业的发展方向以及传统可燃气体状态监测及报警设备出现的误报警和漏报警问题。本发明设计了数据帧格式、中断接收机制、监控帧握手机制、改进crc校验算法和丢帧处理机制，保证检测设备的高可靠性。

一种高可靠性可燃气体状态监测及报警显示系统，该系统包括触控电脑和电路板两大部分。触控电脑负责检测气体报警等故障和发送命令指令，电路板实时检测电源和继电器故障，触控电脑和电路板依靠rs232串口互传信息。

本发明为实现上述目的，采取以下技术方案：

可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法包括：

步骤1：设计可燃气体状态监测及报警设备的数据帧格式。其具体实现方式为帧数据共12字节，分为起始字节、控制单元、应用数据、帧校验和、结束字节。其中控制单元又包括帧方向字节、控制字节、保留字节；应用数据又包括帧序号高字节、帧序号低字节、子帧类型字节、具体数据高字节、具体数据低字节。如图3所示是本发明所设计的数据信息帧格式。

步骤2：设计可燃气体状态监测及报警设备的中断接收机制。其具体实现方式为电路板使用串口中断方式接收定义格式的数据帧、外部中断的按键功能实现和定时器中断的共同作用保证了中可燃气体状态监测及报警设备的实时性。

步骤3：设计可燃气体状态监测及报警设备的改进crc校验算法。其具体实现方式为对数据帧中除帧校验和字节外的其余10个字节进行crc校验。依据ccitt标准，生成多项式选用x16+x12+x5+1。得到余数后，放入帧校验和字节后封装成帧等待发送。在接收端，使用同样的方式对接收数据中所有字节进行校验。

步骤4：设计可燃气体状态监测及报警设备的监控帧握手机制。其具体实现方式为电路板每隔500ms向触控电脑发送指定格式的12字节监控帧，触控电脑接收到监控帧后，对传输过来的帧信息进行步骤3中设计的crc检验，并将检测结果以指定帧格式传送到电路板。当触控电脑连续3次接收到错误监控帧信息或者1.5s内没有接收到任何数据时，显示通讯连接故障。

步骤5：设计可燃气体状态监测及报警设备的丢帧处理机制。其具体实现方式为触控电脑或电路板一方接收到数据帧后，对帧序号进行判断，若新接收到的帧序号和已经保存的上一帧帧序号连续，则进一步解析帧信息。否则将丢帧信息发送到另一方，等待对方重新发送该信息。

图1是本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的原理框图。触控电脑连接外部传感器采集故障信息，电路板实时对设备自身电源和继电器性能进行监控并及时响应按键操作。当一方检测到故障或电路板检测到按键按下时，依照设计的数据帧格式将信息发送到另一方，使得触控电脑界面上显示故障信息，电路板故障指示灯电路、灯带指示电路和声音报警电路进行报警提示。

本发明的技术方案中，为了使可燃气体状态监测及报警设备具有高可靠性，设计数据帧格式，保证检测设备的稳定性；采用中断接收数据方式，保证检测设备的实时性；设计监控帧握手机制、改进crc校验算法和丢帧处理机制，保证检测设备的准确性。本发明由于采用以上技术方案，可以稳定、实时、准确的检测气体报警和其它故障信息。

附图说明

图1是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的原理框图。

图2是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的软件设计流程图。

图3是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的帧格式。

图4是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的总体流程图。

图5是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的具体数据定义。

图6是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的效果图。

图7是涉及本发明高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的串口通信数据。

具体实施方式

下面参照图纸对有关本发明的高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法进行说明。

如图2所示是本发明提出的高可靠性可燃气体状态监测及报警设备设计方法的软件流程图。包括数据帧格式、中断接收机制、监控帧握手机制、改进crc校验算法和丢帧处理机制。

数据帧格式定义。rs232通信属于异步串行通信，一般为两点传输，其每帧的数据格式通常为:起始位+数据位+奇偶校验位(可省略)+停止位。为保证气体状态监测及报警设备的稳定性。本发明中数据帧格式共12个字节，分为起始字节、控制单元、应用数据、帧校验和、结束字节。其中控制单元又包括帧方向字节、控制字节、保留字节；应用数据又包括帧序号高字节、帧序号低字节、子帧类型字节、具体数据高字节、具体数据低字节。

起始字节用于确定帧的起始位置，默认值为0xeb；由于数据传输的双向性，帧方向字节用来指示信息在触控电脑和电路板之间的传输方向，0x80代表触控电脑发送到电路板的数据，0x00代表电路板传输到触控电脑的信息；控制字节表示帧数据是信息帧还是监控帧，0x00是信息帧，0x01是监控帧。信息帧即触控电脑和电路板之间传输的故障信息，监控帧是为检测通讯连接情况的设计；保留字节初始化为0，以待后续需求扩展；帧序号用两个字节表示，代表帧的序号，循环计数从0至0xffff，帧序号字节的设计为丢帧检测提供了很好的条件；子帧类型用来区分状态帧和命令帧，0x01是状态帧，0x02是命令帧。由于指令的执行效果不同，因此状态帧和命令帧的区分使得故障分类更直观和明确；如图5所示，具体数据是为不同故障所定义的数值信息；帧校验和是使用crc16校验得出的结果；结束字节代表一帧数据的结束，默认值为0xeb。触控电脑和电路板严格按照定义好的帧格式传输数据。有效的保证了检测设备的稳定性。

中断接收机制。单片机在操作外部设备时，常用的有中断和查询两种方式。中断方式，是事件触发的，换言之只要有事件产生都会进入中断，并且取得最优运行，因此响应更及时。查询方式，就是在主函数里面不停循环，查询端口状态，响应速度慢。中断就像是后台操作一样，在主程序的流程中，不用刻意去关注中断方式发送了没有，何时接收等，而查询方式是在主程序流程中不断查看是否接收到了数据，一般用while不断循环查看。中断方式可以更高效利用cpu，节省cpu的时间，查询就会增加cpu负担，在程序执行功能较少时，两种差别不大，功能较多时，一般都会采用中断方式。

为保证气体状态监测及报警设备的实时性，本发明中电路板部分均采用中断机制接收数据。

触控电脑和电路板通过rs232串口通信。串口通信采用中断的方式实现。保证了当触控电脑检测到故障的时候，通过串口发送到电路板的信息能够及时被接收并处理。

复位按键采用外部中断的方式实现。当检测到按键被按下后能够立即进入其中断服务函数中执行对应的操作。

定时器中断控制故障指示灯的定时翻转闪烁、蜂鸣器通断频率、监控帧定时发送、查询确认/消音按键状态。由于stm32定时器个数有限，且故障同时存在时，指示灯亮灭状态需要同步。因此本发明采用tim2定时器控制所有故障指示灯，给每种故障设定相应的标志位，在定时器中断服务函数里，通过判断标志位来执行对不同故障指示灯的定时翻转操作即可；tim6和tim7定时器控制蜂鸣器的不同响应频率；tim4定时器控制监控帧的定时发送；tim3定时器采用查询的方式检测确认/消音按键的状态。

根据图4高可靠性可燃气体状态监测及报警设备的设计方法的总体流程图。中断优先级从高到低依次为：串口中断、外部中断、控制故障指示灯的定时器中断、监控帧定时器中断、蜂鸣器定时器中断、查询确认/消音按键的定时器中断。

为保证气体状态监测及报警设备的准确性，采用监控帧握手机制、改进crc校验算法、丢帧处理机制。

改进crc校验算法。改进crc校验算法是针对传统crc校验只对应用数据字节计算的问题提出的。为保证触控电脑和电路板通信的准确性，避免出现误报警和漏报警问题，本发明对除帧校验和字节外的其余10个字节进行crc校验。依据ccitt标准，生成多项式选用x16+x12+x5+1。每个字节的数据转化为2进制数后按帧格式顺序排列,后面补全2个字节的0构成被除数，由生成多项式即{1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1}构成除数。两者相除所得余数即是帧校验和。得到余数后，放入帧校验和字节。将这样的12字节数据封装成帧等待发送。在接收端，把除帧校验和之外的10字节数据转化为2进制数后依次排列，帧校验和转化为的2进制数放在10字节数据后面共同构成被除数，相同的生成多项式构成除数，执行除法运算计算余数。当余数为0的时候，接收数据正确，否则接收数据错误。改进crc校验算法能确保接收数据的准确性，舍弃错误信息。

监控帧握手机制。为了监测触控电脑和电路板之间的通信连接，电路板每隔500ms向触控电脑发送监控帧，触控电脑接收到监控帧后，用生成多项式对传输过来的数据进行crc检验。余数为0代表数据正确，向电路板回复ack信息，ack是指控制字节中bit3＝1，bit2＝0且应用数据部分只有帧序号字节有效的监控帧。之后电路板从下一个帧序号开始继续发送监控帧或者故障信息帧。如果结果错误，触控电脑向电路板回复nak信息，nak是指控制字节中bit3＝0，bit2＝1且应用数据部分只有帧序号字节有效的监控帧，接收到nak信息后，电路板使用原来的帧序号重新发送此条监控帧。当触控电脑连续3次接收到错误监控帧信息或者1.5s内没有接收到任何数据时，显示通讯连接故障。监控帧的握手机制可有效监控信道质量，保证传输数据的准确性。

丢帧处理机制指当电路板检测到故障的时候，会把新的状态写入到串口设备中，但是它无法主动通知触控电脑，因此触控电脑只能通过轮询监听的方式来获取状态的更新。系统运行过程中，触控电脑和电路板频繁的通信会导致丢帧问题不定时发生。为解决此问题，在触控电脑和电路板之间定义丢帧处理机制。一方接收到数据帧后，对帧序号进行判断，如果新接收到的帧序号和已经保存的上一帧帧序号连续，则保存新接收到的帧序号并对具体指令进行解析处理。否则就说明出现了丢帧问题，此时把保存的上一帧帧序号放入具体数据字节且子帧类型字节设置为0x03，依据帧格式的定义封装成信息帧后传输给对方。另一方接收到丢帧指令并得到帧序号后，重新检测所有故障报警并从得到的帧序号开始继续发送数据帧。丢帧处理机制有效解决了漏报警的问题。

高可靠性可燃气体状态监测及报警设备能够监控气体浓度并且检测设备本身性能，其稳定性、实时性、准确性保证了本发明具有高可靠性。