家用天然氣遠程監控系統的研制

覃 濤，趙富強，曹 順，王長坤

（南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063）

家用天然氣遠程監控系統的研制

覃 濤，趙富強，曹 順，王長坤

（南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063）

本家用天然氣遠程監控系統是基于智能控制技術和互聯網通信技術的智能控制系統。該系統通過實時監測室內天然氣濃度，并與智能控制器中的閾值進行對比。當天然氣濃度高于閾值時，及時輸出控制信號關閉天然氣閥門。同時，通過串口服務器將當前天然氣濃度傳輸到用戶終端的PC機上，用戶也可以直接通過PC機發送指令及時關閉閥門。本系統具有體積小、穩定性好、易操作等特點。

遠程監控；互聯網通信；濃度；天然氣閥門

在不斷創新的二十一世紀，隨著天然氣逐漸成為家用的主要能源，人們越來越關心自己身處的環境是否安全、生活是否舒適。為了避免我們的生命財產受到損失，我們必須高度警惕那些隨時都有可能發生的危險。但是，目前的天然氣報警系統只是單純的起到報警作用，不能實現遠程監控，也不能主動切斷氣源。因此，設計一種天然氣遠程檢測與控制的系統非常必要，它既可以實現對室內天然氣濃度的檢測、報警及通過網絡傳輸［6］通知用戶，又可以及時自動關閉或遠程關閉天然氣閥門，防止嚴重事故的發生，保障居民財產安全。

1　系統工作原理及硬件組成

1.1系統工作原理

本系統利用了自動控制的基本原理，并結合了微型計算機控制技術［1］和互聯網通信技術［5］，實現了具有自動控制［2］和通過網絡通信來遠程控制天然氣閥的功能。本系統在工作時，傳感器模塊會檢測到空氣中的天然氣，傳感器模塊將天然氣濃度轉換成電壓信號，得到的電壓信號是一個模擬量。ADC0809芯片構成的模數轉換電路將電壓信號轉換為數字信號，數字信號傳輸給單片機的端口。單片機中的程序初始化后，開始掃描程序。程序掃描端口的數字信號，并將數字信號進行處理。當天然氣的濃度超過程序中設定的天然氣濃度閾值，則單片機會輸出信號使報警電路工作，提醒用戶。同時，單片機通過對數據的處理后，輸出信號，信號傳輸給電機驅動電路，驅動電路將電機驅動，關閉天然氣的閥門。

圖1　系統硬件結構圖Fig.1　The hardware structure diagram of a system

另外，顯示器顯示天然氣的濃度，用戶能及時地了解到濃度值。天然氣的濃度會通過串口通信［3］，將濃度發送給串口電路，串口電路將信號轉換后，傳輸給串口服務器。串口服務器的TCP/IP協議會將數據打包，數據被打包后會通過互聯網發送給電腦終端。電腦終端會將數據進行解包，并將數據以字符的形式顯示在人機交互界面上。用戶可以通過電腦終端查看天然氣的濃度，達到上發送關閉閥門的命令。TCP/IP協議［4］將命令打包后，由互聯網傳輸給串口服務器。串口服務器將數據進行解包，解包后的數據傳輸給串口下載電路，下載電路將數據進行轉換為TTL電平后傳輸給單片機。單片機采集數據并處理后，直接驅動電機將閥門關閉。此過程現了遠程控制的功能。

圖2　系統控制框圖Fig.2　Schematic diagram of control system

1.2系統的硬件組成

本系統硬件主要包括：主控制器模塊、電動閥模塊、串口服務器模塊、天然氣傳感器模塊組成。

1.2.1主控制器模塊

主控制模塊是由STC公司生產的STC89C52構成單片機最小系統與ADC0809數模轉換模塊和接口電路工作和通信。

1.2.2電動閥模塊

電動閥模塊由步進電機和天然氣的閥門組合而成，其功能是驅動模塊驅動電機后，帶動閥門，使閥門關閉，降低空氣中天然氣的濃度。

1.2.3串口服務器模塊

串口服務器是為RS-232到TCP/IP之間提供數據轉換功能的通訊接口轉換器。它可以在RS-232終端串口與TCP/ IP網絡之間實現數據雙向透明傳輸的功能，可以讓串口設備立即聯接網絡。本系統所使用的串口服務器模塊是USRTCP232-401型號的串口服務器。

1.2.4天然氣傳感器模塊

天然氣傳感器具有檢測天然氣濃度的功能，能夠檢測到天然氣濃度信息，并能將檢測到的濃度信息，按一定比例轉換成為電壓信號輸出。系統中的控制模塊接收到電壓信號后，會根據需要對信號進行處理并存儲信號，將信號轉換后顯示，并根據處理信號的結果去控制其他電路等。在自動檢測和自動控制中，天然氣傳感器起著重要作用。本系統所用的天然氣傳輸模塊是MQ-4。

2　系統軟件組成

本系統軟件由系統控制程序模型、主控制器程序設計、系統遠程通信程序設計組成。

2.1系統控制程序模型

本系統基于自動控制的基本原理，采用閉環反饋控制，保證系統在閉環作用下穩定工作，具體過程如下：通過編程設定系統的閾值，系統不斷采集環境中天然氣的實際濃度，并在單片機內和閾值比較，當產生較大偏差時，系統輸出控制信號，經驅動電路控制電動閥，及時關閉天然氣設備的閥門，防止意外發生，同時，報警模塊工作，及時提醒用戶，也可以通過互聯網技術，遠程通知用戶。

2.2主控制器程序設計

主程序的功能：控制模數轉化過程的信號采集，保證在合適的時間周期內采集傳感器模塊傳輸的信號，單片機通過IO端口接收模數轉換的信號，經過算法處理后，送到顯示器12864進行顯示，并通過串口服務器將處理后的信號發送到遠程客戶終端，如果大于閾值，用戶會被提醒發送關閉閥門指令，如果在一定時間內用戶沒有發送關閉閥門指令，單片機自動發送信號關閉閥門，并同時打開排氣扇。

圖3　主控制器程序流程圖Fig.3　The main controller program flow chart

2.3系統遠程通信程序設計

基于 TCP/IP的 socket編程的服務器程序需要調用socket函數來創建套接字，調用bind函數實現將套接字綁定到本地地址和端口上，調用listen函數來設置監聽模式，調用accept函數等待客戶請求的到來，調用send/recv函數和客戶端進行通信。

3　系統調試

由于天然氣屬于易燃易爆物，在進行系統的整體測試時采用少量的天然氣，對準天然氣傳感器的測試頭部分，進行測試，總體不影響系統的整體測試，當天然氣的濃度較低時，電動閥不動作，并可以通過上位機或者PC機進行實時監測天然氣的濃度。若天然氣濃度逐漸增大，當天然氣濃度大于系統設定的閾值時，系統自動發出報警，并自動關閉電動閥門，同時，報警信息會顯示在上位機或PC機上，通知用戶關閉閥門。經多次測試系統，系統的反應時間在500～800 ms之間，閥門動作時間為2～3 s，完全達到預期的要求，另外，系統可以穩定工作在穩定狀態下，數據出錯率小于0.05%～0.1%，可靠性高。

圖4　系統遠程通信程序設計Fig.4　System of remote communication program design

4　結　論

本系統功能的成功實現，說明了系統內部的信息傳輸很穩定，在控制終端上還可以嵌入各種功能的檢測裝置，如：煙霧傳感模塊、人體紅外傳感模塊等，另外，也可以增加控制模塊，如：窗戶窗簾控制模塊、紅外遙控模塊等，使系統的功能進一步完善。

［1］潘新民.微型計算機控制技術［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［2］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：科學出版社，2010.

［3］郭天祥.51單片機C語言教程--入門、提高、開發、拓展全攻略［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［4］孫鑫.VC++深入詳解［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［5］伊拉希.網絡通信技術［M］.北京：科學出版社，2007.

［6］謝昌榮.計算機網絡技術［M］.北京:清華大學出版社，2011.

The development of domestic natural gas remote monitoring system

QIN Tao，ZHAO Fu-qiang，CA0 Shun，WANG Chang-kun
（College Of Information Engineering，Nan Chang Hang Kong University，Nan chang 330063，China）

The domestic natural gas remote monitoring system is based on intelligent control technology and Internet communication technology intelligent control system.The system through real-time monitoring of indoor gas concentration，and with intelligent controller threshold comparison.When the gas concentration above the threshold，the output control signal promptly closed gas valve.At the same time，through the serial port server will be transferred to the current gas concentration on the PC user terminal，the user can also send commands directly through the PC promptly close the valve.The system has a small size，good stability，easy operation.

remote monitoring；internet communications；concentration；the threshold gas valve

TN-9

A

1674－6236（2016）05-0187-03

2015-05-06稿件編號：201505046

覃 濤（1991—），男，湖北宜昌人。研究方向：自動控制、嵌入式軟件編程與設計。