家用燃氣泄漏智能報警系統研究

趙延明 文家厚 曾瓊斌 黃 垚 陳建勛

(1.湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南江麓機電集團有限公司，湖南 湘潭 411100)

美國、日本等發達國家對安全使用燃氣制定了一系列規章、制度，特別制定了燃氣泄漏報警器的使用規定，使燃氣事故率維持在較低的水平[1]。日本早在1980年1月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規，1986年5月日本通產省又實施了安全器具普及促進基本方針。美國目前已有6個州立法，規定家庭、公寓等都要安裝CO報警器。因此研制高智能化，可及時監控、報警、排除險情的燃氣報警系統十分必要。中國國家技術監督局早在1998 年就在實施的國標 GB 16914-1997中明確規定：燃具安裝處所應設置燃氣泄漏報警切斷裝置。 我國每年因燃氣泄漏造成的中毒事故、燃氣爆炸事故，在全國各地屢見不鮮[2]。為了減少因燃氣泄漏、火災引起的燃燒、爆炸等事故，在家庭安裝居家安防系統十分有必要。目前市場上常見的安防報警系統有固定電話撥號、以太網及集群系統等[2]，但這些方式均存在缺陷：固定電話撥號通信方式局限于有線，線路容易老化或遭腐蝕、鼠咬、磨損，故障發生率較高，誤報警率高，在關鍵時候失靈；以太網同樣面臨線路產生問題的隱患，并且不易普及；集群系統功耗很大，網絡架設和維護費用很高，而且需要購買固定的頻點[6]；不能實現小區化監控管理報警和向戶主個人手機發送短信報警的雙保險機制。

針對目前居家安防系統存在的問題，筆者提出一種基于無線通信和GSM移動通信的家用燃氣泄漏智能報警系統[3～5]，對家用燃氣濃度、煙霧濃度及室內溫度等進行實時監測和雙重報警，及早發現事故隱患，采取有效措施，避免事故發生，減少因燃氣泄漏而造成的嚴重損失，具有重要意義。

1 智能燃氣報警系統總體方案①

針對目前市面上燃氣報警器在通信方式、安全系數等方面的不足，采用無線通信和GSM移動通信相結合的家用燃氣泄漏智能報警系統，總體方案如圖1所示。系統包括圖2所示的本地實時監測模塊(發送方)、遠程集中監控模塊(接收方)，并通過無線通信自組網和GSM移動通信網絡構建燃氣泄漏智能監控系統。系統采用無線通信傳輸數據方式，代替了繁瑣的布線工序，減少因有線通信線纜故障而造成數據傳輸中斷和出錯。若存在燃氣泄漏，該系統能第一時間通過GSM移動通信網絡短信通知戶主，并自動采取聲光報警、自動開窗、智能通風及自動滅火等應急處理措施。同時通過無線通信送到小區燃氣監控中心實現小區集中實時監控，采取相應的有效措施，并將檢測數據存入小區燃氣集中監控系統數據庫中，便于風險分析與評估。通過GSM移動通信網絡和無線通信，實現了雙重報警，提高了系統的可靠性，能確保燃氣泄漏在最短時間內被發現并被處理，從而做到減少能源浪費，保護生命財產安全，做到防患于未然。

圖1 智能燃氣報警系統總體框圖

a. 本地實時監測模塊(發送方)

b. 遠程集中監控模塊(接收方)

2 系統硬件

2.1 主控模塊

主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，STC12C系列單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度提高8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，兩位PWM，8路高速十位A/D轉換(250K/s，即25萬次/s)，它有高速、高可靠、低功耗、超低價、強抗靜電和強抗干擾的優點。

發送站點主模塊與接收站點主模塊的電路設計分別如圖3、4所示，發送站點主模塊中主要與無線模塊(P1.1～P1.6)、ADC(P1.0、P1.7)、串口(P3.0～P3.1)、聲光報警(P3.3、P3.4)、矩陣鍵盤(P2.0～P2.7)、液晶顯示(P0.0～P0.5)、繼電器(P3.6、 P3.7)相連接，接收站點主模塊主要與無線模塊(P1.1～P1.6)、聲光報警(P3.3、P3.4)、串口(P3.0～P3.1)相連接。

圖3 發送站點主模塊電路

圖4 接收站點主模塊電路

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用CC1101無線收發模塊，支持數據包處理、數據緩沖和突發數據傳輸，廣泛應用于低功率遙感勘測、住宅和建筑自動控制、無線警報和安全系統、工業監測和控制及無線傳感器網絡等領域。在發送站點和接收站點都采用了CC1101無線收發模塊，硬件設計如圖5所示，數據輸入SI、輸出SO引腳分別與P1.6、P1.7相連，時鐘輸出引腳SCLK與P1.5相連，接口配置、芯片選擇引腳CSN與P1.2相連，工作狀態引腳GDO0、GDO2分別與P1.3、P1.1相連，實現無線通信模塊與主控芯片的數據通信。

圖5 CC1101硬件設計

2.3 串口通信模塊

采用PL2303 USB轉RS232控制器，實現USB和標準RS-232串行端口之間的轉換，支持USB電源管理和遠程喚醒協議，硬件設計如圖6所示。數據接收引腳RXD與P3.0引腳相接，接收單片機發送過來的數據，數據發送引腳TXD與P3.1引腳相接，將數據發送到單片機。

圖6 串口硬件設計

2.4 數據采集電路

MQ-5是半導體氣敏器件，它將可燃氣體轉換成控制信號輸出。在其6個引腳中，H-H是加熱電極，通電后使氣敏傳感器內部保持一定的溫度。當有可燃氣體與它接觸時，其A-B兩端導電率就會改變，如果負載等相關條件確定時，隨著可燃氣體的成分和濃度的不同，則負載兩端的變化亦是不同的。當可燃氣體濃度越大時，負載兩端電壓的變化亦越大，而且不同種類的燃氣電壓變化大小也不同。RP是傳感器靈敏度調節電位器，最好選用多圈電位器，可以比較精確地調整靈敏度，其電路連接如圖7所示，其輸出接單片機內部AD轉換的正負輸入端，分別為單片機的P1.0、P1.7口。MQ-2工作原理與之類似。

圖7 RP電位器硬件電路連接示意圖

2.5 液晶顯示電路

該設計采用12864液晶作為顯示器件，具有低功耗、接口方式簡單、取指令方便及人機交互圖形界面友好等特點。單片機通過串行通信方式控制液晶顯示器內各種數據信息，具體電路如圖8所示，片選CS、指令返回RET、指令選擇RS分別接單片機的P0.0、P0.1、P0.2口，數字線SDA、時鐘線SCL分別接單片機P0.3、P0.4口。

圖8 液晶顯示電路

2.6 GSM短信收發電路

該設計采用西門子的TC35模塊來實現短信發送功能。TC35是一款雙頻900/1 800MHz高度集成的GSM模塊，它易于集成，可以在較短的時間內花費較少的成本開發出新穎的產品。該設計通過單片機串口發送AT指令來控制短信收發，具體電路如圖9所示。模塊啟動腳IGT接單片機P0.7，串口接收RXD、串口發送TXD分別接單片機P3.0、P3.1口。

3 系統軟件

在keil C51編程環境下，先初始化I/O口。對發送站點的軟件設計，設置計數器1和定時器2，單片機采集電壓信號進行A/D轉換成數字信號，A/D為STC12C5A60S2內部模數轉換器，判斷轉換成功之后的數字信號經過CC1101無線模塊發送，采集到的脈沖信號通過計數器進行計數，然后通過CC1101發射模塊發送，從而實現數據的采集和無線發送，多點數據采集與處理模塊程序流程如圖10所示。對接收站點進行軟件設計時，先對液晶、無線模塊進行初始化，再對頁面進行控制，無線模塊進行數據的接收，將得到的數據進行處理，再由液晶顯示，并通過串口通信發送到上位機進行相應的處理與分析，判斷燃氣是否泄漏，若泄漏則啟動報警系統，否則進入循環，其程序流程如圖11所示。

圖9 GSM短信收發電路

4 結束語

家用燃氣泄漏報警系統可實現燃氣濃度的檢測，當燃氣濃度超過設定的標準值，燃氣報警器自動聲光報警，并采取諸如隔斷氣源及關電源等措施。該系統還可以通過GSM短信實現遠程報警功能，同時將所在房間號傳送至監控室的PC機同步顯示與聲光報警，實現雙重報警功能，確保因燃氣泄漏而造成的事故及時被發現。PC端軟件進行數據庫分析，形成風險評估系統。該報警系統成本低，使用方便，可以廣泛地應用于家庭、住宅小區、或者燃氣管道漏氣檢測。

圖10 多點數據采集與處理模塊程序流程 圖11 遠程監控模塊程序流程