基于無線通信技術的民用天然氣監測系統設計概論

楊瑞琪

北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044

引言

隨著天然氣的使用量不斷增加，應用領域不斷拓展的同時，天然氣泄露造成人員傷亡的事故也不斷發生。同時隨著低碳經濟模式的推行，更多的居民開始在家中安裝天然氣熱水器等天然氣設備。這些因素無疑增加了天然氣泄露的風險，因此設計一款實用的天然氣監測系統尤為重要。

目前市面上的智能天然氣報警器主要是小米米家天然氣報警器，此報警器內置傳感器對天然氣濃度進行采集，采用Honeywell先進的數字處理技術、標定方法、實時溫度補償技術對室內天然氣進行監控。此報警器有兩大缺陷：一是作為一種Zigbee設備，無法直接控制，需要通過網關將各個設備連接到一起，實現Zigbee設備之間的聯動效應，然而在用戶實際使用過程中，不但需要額外設置網關還常常會出現無法連接的問題；二是只有一個采集點進行天然氣濃度的采集，采集能力較弱，范圍窄且精度低，不適用于有多個天然氣可能泄露點的場合并且時常會出現不報警和誤報警的現象。

1 監測系統方案設計

系統主要由無線傳感器網絡、RS232/WIFI模塊及通過WIFI網絡連接的PC、智能手機等智能終端設備組成。其中無線傳感器網絡包括采集節點和匯聚節點兩部分。采集節點中的數據采集模塊將傳感器感知的環境中的天然氣濃度并進行A/D轉換，同時經由數據處理模塊進行簡單數據處理，通過網內通信模塊將信息匯入匯集節點中。匯集節點將信息進行數據存儲并送入泄露分析模塊進行判斷，若判斷發生泄露則啟動相應的自動關閉和聲光報警設備，同時發送警告到遠程通信模塊。遠程通信模塊通過RS232/WIFI模塊，實現與遠程智能設備的WIFI網絡連接，并通過APP在智能設備上實時顯示天然氣泄露情況。并對傳感器網絡可以設置多個采集節點進行天然氣數據的采集，提升了系統的可靠性與實用性。

1.1 硬件設計

各節點通用控制模塊采用nRF24E1，此單片機處理模塊有較高的集成度，所需要的外圍器件很少，設計簡單，可以有效減小節點的體積；其集成了9路100kspls/s的10bit模數轉換器，能夠精準采集傳感器輸出的模擬信號，大大提升了系統的效率和可靠性；其內置看門狗電路及RTC電路，能夠有效降低節點的耗能，節約資源便于電池供電；采用其內置2.4G無線收發器nRF24L01進行通信；利用MMC存儲卡作為存儲載體。通用接口包括RS232串行接口和拓展接口，RS232接口用于與智能設備通過WIFI相連接，拓展接口連接各傳感器模塊實現信息的采集。

利用MQ-5氣體傳感器實現對監測區域內天然氣濃度的監控，MQ-5氣體傳感器的氣敏元件是在清潔空氣中導電率較低的二氧化錫，對天然氣有較好的敏感度，對乙醇，煙霧幾乎不響應。當監測區域內存在天然氣時，傳感器的電導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率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，其靈敏度高、穩定性好、探測范圍廣、使用簡單且具有較長的壽命[1]。

核心控制模塊采用STC12C5A60S2單片機處理器，該處理器為單時鐘/機器周期(1T)的8位微控制器，采用增強型8051內核，運行速度是普通89C51系列單片機運行速度的12倍，集成資源豐富，擁有I/O接口，SPI接口，以及兩個UART串行數據接口，可方便實現與其他模塊的連接。選用STC12C5A60S2單片機處理器作為核心控制模塊可以使匯聚節點具有強大的數據處理能力，豐富的接口和較低的功耗，具有較好的實用性。

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(串口以太網無線網)模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網( WiFi)3個接口之間的任意透明轉換。利用HLK-RM04模塊,可以使傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，方便快捷地通過網絡傳輸自己的數據

1.2 軟件設計

系統工作的周期可以分為三個階段：信息采集、信息傳輸和信息處理。工作流程為：系統啟動之后首先進入信息采集階段，通過采集節點中的傳感器收集監測范圍內的天然氣濃度信息，之后進入信息傳輸階段，各采集節點通過網內通信將信息傳遞給匯集節點，最后進入信息處理階段，匯集節點對接受的所有濃度信息進行判斷，決定是否發出天然氣泄露警示并采取相關措施，并實時將相關信息傳送至用戶的智能設備中。

在判斷天然氣泄露之后，系統主動減小工作周期，以便更為精確地獲得監測區域的天然氣濃度變化，在天然氣濃度下降到安全范圍后會自動回復到正常工作周期，減少能源的消耗。構建單跳星形無線網絡，采用時分方式進行數據傳輸，利用競爭注冊、主動上傳的通信機制，減少因信息沖突而導致的網絡數據丟失，提升系統的數據處理能力及工作效率，降低采集節點的能量損耗。采用多層次，多級別的天然氣泄露判斷處理機制，結合泄露點的數量，泄露天然氣的濃度以及泄漏速度綜合判斷并采取不同級別的應對措施[2]。

2 實驗及展望

通過實驗板對監測系統的靈敏度、抗干擾能力以及通信速度等方面進行了測試。將采集節點布置在封閉實驗空間中，提升封閉空間內天然氣的濃度，記錄其報警情況，多次測試表明本系統報警的延遲時間很小，不報警與誤報警的次數較少，靈敏度較高。

實驗過程中，智能設備可以自動連接到RS232/WIFI模塊，在相應APP上可以實時觀測到天然氣的濃度且偏差值較小，同時能夠接收到天然氣泄露的報警信息，說明本系統的通信迅速，系統可靠。

本設計在市場主流天然氣報警器的基礎上進行了改良與優化，并具有監測范圍廣，監測精度高，抗干擾能力強等優點，使得本系統具有較好的應用前景。