一種新型自動報警手持燃氣抄表裝置的研究

李楠

（南京工業職業技術大學，江蘇南京，210023）

0 引言

隨著國民經濟的發展和生活水平的提高，燃氣已普遍進入城鎮居民家中，相比較于早期普遍使用的瓶裝液化氣，其使用方便且成本較低，受到了居民的歡迎，但同時也存在著一定的安全隱患，燃氣泄漏不易察覺，泄漏后若導致火災將給居民人身財產帶來損失。目前，市面上一般手持燃氣抄表裝置主要通過紅外通信方式和燃氣表進行數據傳輸，采集用戶燃氣使用度數等數據，但這些燃氣抄表裝置通信距離短、抄表效率較低。鑒于此，為克服一般手持燃氣抄表裝置的不足，并提高燃氣設備使用安全性，本文設計一種新型手持燃氣抄表裝置，該手持燃氣抄表裝置不僅能實現智能遠距離無線抄表，而且能同時檢測周圍環境，當環境中燃氣濃度過高或者溫度過高時，自動報警。

1 系統硬件設計

基于ZigBee的自動報警手持燃氣抄表裝置系統包括微控制器、顯示模塊、聲光報警模塊、ZigBee模塊、GSM模塊、紅外模塊、燃氣傳感器、溫度傳感器、存儲模塊、鍵盤模塊、電源模塊和時鐘模塊[1]。硬件系統框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

微控制器對手持燃氣抄表裝置各模塊進行控制；顯示模塊顯示時間、燃氣表發送過來的抄表數據和檢測出的異常情況狀態；聲光報警模塊在手持燃氣抄表裝置檢測到出現燃氣濃度過高或溫度過高的異常情況時發出報警聲音并閃爍發光進行報警；ZigBee模塊通過ZigBee通信方式和燃氣表進行通信，發送數據至燃氣表或接收燃氣表發送過來的數據[2]。微控制器和ZigBee模塊采用CC2530集成芯片，顯示模塊采用12864OLED，聲光報警模塊包含蜂鳴器和LED燈。微控制器與ZigBee模塊的電路連接圖如圖2所示。

圖2 微控制器與ZigBee模塊電路連接圖

GSM模塊通過GSM通信方式和燃氣表進行通信，發送數據至燃氣表或接收燃氣表發送過來的數據，并可通過GSM通信方式和管理員手機進行通信，發送數據至管理員手機或接收管理員手機發送過來的數據；紅外模塊通過紅外通信方式和燃氣表進行通信，發送數據至燃氣表或接收燃氣表發送過來的數據。GSM模塊包含SIM卡，SIM卡和GSM模塊采用的集成芯片SIM800C相連。紅外模塊包含紅外發射器和紅外接收器。GSM模塊電路連接圖如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路連接圖

燃氣傳感器檢測手持燃氣抄表裝置所處環境的可燃氣體濃度；溫度傳感器檢測手持燃氣抄表裝置所處環境的溫度值。燃氣傳感器型號為MQ-9，可檢測甲烷、液化石油氣等可燃氣體和一氧化碳氣體，適用廣泛，安全性高。溫度傳感器采用DS18B20集成芯片。

存儲模塊存儲接收到的抄表數據；鍵盤模塊用于人機互動，包括選擇通信方式、開啟抄表程序、裝置開關機；電源模塊為手持燃氣抄表裝置各模塊提供電壓大小合適且穩定的電源；時鐘模塊用于計時，提供實時時間數據，包括年、月、日、周、時、分、秒；鍵盤模塊包含五個按鍵，用于設置和功能選擇。存儲模塊采用AT24C16集成芯片，其存儲空間為16K，具有2線串行接口，連線少，通信簡單。鍵盤模塊的5只按鍵分別為ZigBee通信按鍵、GSM通信按鍵、紅外通信按鍵、抄表按鍵和電源按鍵。時鐘模塊采用DS1302集成芯片，其是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.0V-5.5V，可接后備電源，保證主電源電能耗盡時仍可靠工作。電源模塊包含三塊可充電式鋰電池、一只LDO降壓芯片和一只LDO升壓芯片[3]。其中鋰電池電壓為3.7-4.2V，電池型號為18650，電池容量為3000mAh，三塊鋰電池中的第一塊連接LDO降壓芯片，經降壓為3.3V后為微控制器10和ZigBee模塊4供電，第二塊鋰電池連接LDO升壓芯片，經升壓為5V后為顯示模塊、紅外模塊、燃氣傳感器、溫度傳感器、時鐘模塊供電，第三塊鋰電池給GSM模塊供電。電源模塊電路連接圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路連接圖

2 軟件程序設計

系統開啟后，首先進行系統初始化，對微控制器的工作狀態及相關寄存器初值進行設定；接著通過顯示模塊顯示當前日期和時間數據，當前日期和時間數據由時鐘模塊提供，數據包括年、月、日、周、時、分、秒；再等待按鍵按下選擇通信方式，若鍵盤模塊中的ZigBee通信按鍵按下選擇ZigBee通信方式，GSM通信按鍵按下選擇GSM通信方式，紅外通信按鍵按下選擇紅外通信方式；等待抄表按鍵按下開始抄表，若抄表按鍵按下則通過選定的通信方式發出抄表命令到燃氣表中；接收燃氣表發送過來的燃氣度數等數據，將接收到的數據通過存儲模塊進行存儲；然后通過顯示模塊顯示接收到的數據；接著調用報警子程序；完成后等待新的命令直到結束。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

管理員可用手機通過GSM通信方式發送抄表命令短信至手持燃氣抄表裝置，手持燃氣抄表裝置通過GSM通信方式將存儲的燃氣度數發送回所述管理員手機[4]。當系統調用報警子程序時，首先進行初始化，接著讀取燃氣傳感器氣體濃度讀數，將其和設定的標準值進行比較，如果當前氣體濃度高于標準值，啟動聲光報警器發出報警聲音并閃爍發光進行報警，如果當前氣體濃度不高于標準值，直接顯示當前氣體濃度，再讀取溫度傳感器溫度值讀數，將其和設定的標準值進行比較，如果當前溫度值高于標準值，啟動聲光報警器發出報警聲音并閃爍發光進行報警，如果當前溫度值不高于標準值，直接顯示當前溫度值。另外，當燃氣傳感器檢測到的室內燃氣濃度過高或溫度傳感器檢測到的室內環境溫度過高時，通過顯示模塊顯示異常情況狀態“警告:檢測到燃氣濃度過高”；并由微控制器通過GSM模塊發送報警內容“檢測到燃氣濃度過高”至管理員手機進行報警。

3 結束語

在社會發展迅速的今天，燃氣已十分普及，為民眾帶來了方便、持久的熱能，極大提高了人民生活水平[5]，但是包括筆者所在的南京地區在內，很多地區仍采用人工抄表方式，由抄表員進入用戶家中手動抄表[6]，后疫情時代，該抄表方式存在近距離接觸的弊端。本文研究的裝置可智能無線遠距離抄表，即通過ZigBee通信、GSM通信方式可靠傳輸數據，同時還兼容紅外通信方式，適用廣泛，免去抄表員進入千家萬戶的相互接觸；并可通過燃氣傳感器和溫度傳感器檢測周圍環境，發生燃氣泄漏時自動報警，在抄表的同時檢測是否存在燃氣泄漏等安全隱患，增強燃氣安全使用性且降低人力物力成本，預防火災事故的發生，具有良好的實用性和廣闊的市場前景。