楊瑞琪

北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100044

引言

隨著天然氣的使用量不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的同時(shí)，天然氣泄露造成人員傷亡的事故也不斷發(fā)生。同時(shí)隨著低碳經(jīng)濟(jì)模式的推行，更多的居民開(kāi)始在家中安裝天然氣熱水器等天然氣設(shè)備。這些因素?zé)o疑增加了天然氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)一款實(shí)用的天然氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要。

目前市面上的智能天然氣報(bào)警器主要是小米米家天然氣報(bào)警器，此報(bào)警器內(nèi)置傳感器對(duì)天然氣濃度進(jìn)行采集，采用Honeywell先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)、標(biāo)定方法、實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償技術(shù)對(duì)室內(nèi)天然氣進(jìn)行監(jiān)控。此報(bào)警器有兩大缺陷：一是作為一種Zigbee設(shè)備，無(wú)法直接控制，需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)將各個(gè)設(shè)備連接到一起，實(shí)現(xiàn)Zigbee設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，然而在用戶(hù)實(shí)際使用過(guò)程中，不但需要額外設(shè)置網(wǎng)關(guān)還常常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法連接的問(wèn)題；二是只有一個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行天然氣濃度的采集，采集能力較弱，范圍窄且精度低，不適用于有多個(gè)天然氣可能泄露點(diǎn)的場(chǎng)合并且時(shí)常會(huì)出現(xiàn)不報(bào)警和誤報(bào)警的現(xiàn)象。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、RS232/WIFI模塊及通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)連接的PC、智能手機(jī)等智能終端設(shè)備組成。其中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩部分。采集節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器感知的環(huán)境中的天然氣濃度并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)經(jīng)由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理，通過(guò)網(wǎng)內(nèi)通信模塊將信息匯入?yún)R集節(jié)點(diǎn)中。匯集節(jié)點(diǎn)將信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并送入泄露分析模塊進(jìn)行判斷，若判斷發(fā)生泄露則啟動(dòng)相應(yīng)的自動(dòng)關(guān)閉和聲光報(bào)警設(shè)備，同時(shí)發(fā)送警告到遠(yuǎn)程通信模塊。遠(yuǎn)程通信模塊通過(guò)RS232/WIFI模塊，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程智能設(shè)備的WIFI網(wǎng)絡(luò)連接，并通過(guò)APP在智能設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示天然氣泄露情況。并對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行天然氣數(shù)據(jù)的采集，提升了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

各節(jié)點(diǎn)通用控制模塊采用nRF24E1，此單片機(jī)處理模塊有較高的集成度，所需要的外圍器件很少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以有效減小節(jié)點(diǎn)的體積；其集成了9路100kspls/s的10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠精準(zhǔn)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)，大大提升了系統(tǒng)的效率和可靠性；其內(nèi)置看門(mén)狗電路及RTC電路，能夠有效降低節(jié)點(diǎn)的耗能，節(jié)約資源便于電池供電；采用其內(nèi)置2.4G無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF24L01進(jìn)行通信；利用MMC存儲(chǔ)卡作為存儲(chǔ)載體。通用接口包括RS232串行接口和拓展接口，RS232接口用于與智能設(shè)備通過(guò)WIFI相連接，拓展接口連接各傳感器模塊實(shí)現(xiàn)信息的采集。

利用MQ-5氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)天然氣濃度的監(jiān)控，MQ-5氣體傳感器的氣敏元件是在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的二氧化錫，對(duì)天然氣有較好的敏感度，對(duì)乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)存在天然氣時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著天然氣濃度的增加而增大。MQ-5氣體傳感器可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，其靈敏度高、穩(wěn)定性好、探測(cè)范圍廣、使用簡(jiǎn)單且具有較長(zhǎng)的壽命[1]。

核心控制模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)處理器，該處理器為單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的8位微控制器，采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，運(yùn)行速度是普通89C51系列單片機(jī)運(yùn)行速度的12倍，集成資源豐富，擁有I/O接口，SPI接口，以及兩個(gè)UART串行數(shù)據(jù)接口，可方便實(shí)現(xiàn)與其他模塊的連接。選用STC12C5A60S2單片機(jī)處理器作為核心控制模塊可以使匯聚節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，豐富的接口和較低的功耗，具有較好的實(shí)用性。

RS232/WIFI模塊選用HLK-RM04模塊，其為一種低成本高性能嵌入式UARTETH-WiFi(串口以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng))模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)串口、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)( WiFi)3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。利用HLK-RM04模塊,可以使傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，方便快捷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作的周期可以分為三個(gè)階段：信息采集、信息傳輸和信息處理。工作流程為：系統(tǒng)啟動(dòng)之后首先進(jìn)入信息采集階段，通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)中的傳感器收集監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的天然氣濃度信息，之后進(jìn)入信息傳輸階段，各采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)內(nèi)通信將信息傳遞給匯集節(jié)點(diǎn)，最后進(jìn)入信息處理階段，匯集節(jié)點(diǎn)對(duì)接受的所有濃度信息進(jìn)行判斷，決定是否發(fā)出天然氣泄露警示并采取相關(guān)措施，并實(shí)時(shí)將相關(guān)信息傳送至用戶(hù)的智能設(shè)備中。

在判斷天然氣泄露之后，系統(tǒng)主動(dòng)減小工作周期，以便更為精確地獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域的天然氣濃度變化，在天然氣濃度下降到安全范圍后會(huì)自動(dòng)回復(fù)到正常工作周期，減少能源的消耗。構(gòu)建單跳星形無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，采用時(shí)分方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用競(jìng)爭(zhēng)注冊(cè)、主動(dòng)上傳的通信機(jī)制，減少因信息沖突而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及工作效率，降低采集節(jié)點(diǎn)的能量損耗。采用多層次，多級(jí)別的天然氣泄露判斷處理機(jī)制，結(jié)合泄露點(diǎn)的數(shù)量，泄露天然氣的濃度以及泄漏速度綜合判斷并采取不同級(jí)別的應(yīng)對(duì)措施[2]。

2 實(shí)驗(yàn)及展望

通過(guò)實(shí)驗(yàn)板對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、抗干擾能力以及通信速度等方面進(jìn)行了測(cè)試。將采集節(jié)點(diǎn)布置在封閉實(shí)驗(yàn)空間中，提升封閉空間內(nèi)天然氣的濃度，記錄其報(bào)警情況，多次測(cè)試表明本系統(tǒng)報(bào)警的延遲時(shí)間很小，不報(bào)警與誤報(bào)警的次數(shù)較少，靈敏度較高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，智能設(shè)備可以自動(dòng)連接到RS232/WIFI模塊，在相應(yīng)APP上可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)到天然氣的濃度且偏差值較小，同時(shí)能夠接收到天然氣泄露的報(bào)警信息，說(shuō)明本系統(tǒng)的通信迅速，系統(tǒng)可靠。

本設(shè)計(jì)在市場(chǎng)主流天然氣報(bào)警器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良與優(yōu)化，并具有監(jiān)測(cè)范圍廣，監(jiān)測(cè)精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得本系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。