室内天燃气泄漏无线报警系统设计
2017-11-07赵永花赵浪涛
赵永花，赵浪涛
(1.兰州工业学院 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050)
室内天燃气泄漏无线报警系统设计
赵永花1，赵浪涛2
(1.兰州工业学院 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050)
燃气作为清洁能源广泛应用于家庭、工业和餐饮等众多领域。为确保在建筑室内安全使用天燃气，针对室内天然气浓度进行检测，同时实现无线报警。系统选用可燃气体传感器和温度传感器，应用AT89C51微处理器和全球移动通信系统(GSM)传输模块，完成燃气泄漏检测和无线报警功能的软硬件设计，对建筑室内环境燃气浓度和温度实时检测、显示，当超过限幅值时报警。测试结果表明，系统天然气浓度和室内温度检测精度高，可实现数据无线传输，设计结构简单、成本低、操作方便，极大提高了天燃气使用的安全性。
AT89C51；天燃气泄漏；GSM模块；无线报警
0 引言
随着人们生活水平的提高，燃气清洁能源广泛应用在各个领域，但天燃气在给人们提供方便的同时也带来了不必要的麻烦，因客观使用不规范或者马虎大意，常常发生燃气泄漏所导致的安全事故，给个人和国家带来不必要的无辜损失，为居民更好地安心、放心使用燃气，有必要对建筑室内天燃气浓度进行实时监测，当天燃气浓度超过上限值时提供现场声光报警的同时，同时进行无线传输及早告知亲人，做好防范措施。
常规的工业燃气泄漏检测设备基本采用RS-485串行通信或通用分组无线服务技术(GPRS)，虽然可实现大范围的远程检测，检测精度高，可靠性高，但是在监控区域小而分散的用户，实用性不是很高，另外安装、调试和运行成本较高，无法满足用户的需要。鉴于以上原因，本文设计应用AT89C51单片机，通过温度和燃气浓度传感器实时、准确地检测出燃气的泄漏情况[1]，当出现异常，进行报警。随着物联网技术的不断发展，后期通过手机开源软件实现无线控制，逐步推广到工业各个燃气和浓度检测场所，为安全使用燃气提供有力的保障。该系统结构简单、技术成熟，相对来说体积小、成本低、操作简单，能够满足普通用户使用需求，具有很大的市场应用价值。
1 总体方案设计
燃气泄漏无线报警系统[2]设计如图1所示。系统包括AT89C51微处理器组成的最小系统、外围搭建燃气浓度检测和温度检测传感器、时钟模块、GSM模块、常规输入输出设备。
图1 燃气泄漏无线报警系统
系统的基本工作原理：首先根据建筑室内现场环境控制要求，通过键盘设定气体浓度和温度容许上限值，然后实时采集现场燃气浓度或温度值，通过AT89C51单片机将实测数值和给定值进行比较，进行数据运算，判断当前天燃气的浓度是否超过根据使用环境设定的给定值，一旦超界，通过蜂鸣器和发光二极管(LED)发出声光报警，为了及时告知使用人员情况，通过GSM模块发送报警信号，以便及时进行处理。同时，采用LCD显示器将现场测量浓度和温度实时进行显示，以便用户直观地观察变化动向。
2 主要单元电路设计
2.1 单片机的选取
随着电子技术和计算机技术的快速发展，单片机[3]的类型相当多，考虑系统资源需求，选用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能8位AT89C51，相对来说，该芯片内部集成8 K可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机数据存储器，与标准MCS-51指令系统及产品引脚兼容，考虑设计的经济性，大大减少存储器扩展费用。
2.2 天燃气浓度检测电路
天燃气浓度检测[4]利用现场模块LPM2610-C13来实现，模块内部结构和引脚功能如图2所示。
模块工作电压5 V，根据燃气浓度输出(VOUT)0～5 V的模拟电压，然后通过A/D转换输入到单片机，模块自带温度补偿电路，功耗低、尺寸小，气体浓度检测范围为3%～30%LEL，能够达到检测要求。
图2 LMP2610-C13模块结构与管脚
2.3 温度检测电路
为考虑系统设计的全面性，除了检测室内的天燃气浓度，还要对室内温度进行测量[5]，为简化系统结构设计，温度传感器选用由美国DALLAS半导体公司生产的单总线数字式DS18B20[5]，该模块温度检测范围广，测量范围为-55～+125 ℃，分辨率根据控制要求在9～12位之间自行设置，转换时间为93.75～750 ms，控制精度为0.5～0.062 5 ℃；现场温度的测量数据传输采用单线总线[3]数字方式，控制灵活、方便，抗干扰能力强，供电电压可在 3～5.5 V波动。DS18B20总共3个引脚，分别为电源地GND、电源端VDD和数字信号输入/输出端DQ。
DS18B20与单片机之间采用单线总线数据通信模式，DS1820的编程和数据读写严格按照时序操作，一定的操作必须配有相应的读写时序；同时，DS1820的单总线上的带载能力也是有限的，一条总线上所接的DS1820最好不要超过8个，当超过时须考虑总线驱动问题[6]；为提高系统的抗干扰能力，测温数据传输线最好采用带屏蔽的4芯双绞线，其中一对线用于数据信号线和电源底线，剩下的另外一对用于接芯片供电的电源和地线，而屏蔽层一般采用源端单点接法，当采用外部供电时，芯片的GND端绝对不能悬空，否则读取的温度值始终为85 ℃。
2.4 显示电路设计
为更好地对现场温度和燃气浓度进行展现，显示电路[7]采用标准的YM12864RLCD显示器，该液晶显示器采用标准工作电源3.3～+5 V(内置升压电路，无需负压)，实际使用能耗低、体积小，具有标准的硬件电路连接接口[8]，程序调试简便易行，近年来广泛应用在工业和现场实时控制的各个场所和小型系统的电子仪器设备中。同时，该显示器内部资源丰富，自带汉子字库，可实现中文点阵显示。该显示器可以实现各种图形、曲线显示，天燃气浓度和现场温度图像显示[8]更加形象、直观。
2.5 无线报警电路
随着通信技术的飞速发展，手机已成为我们获取信息必不可少的途径，为设计中的无线报警系统[9]提供了有力的技术基础。我们深信，随着手机的广泛使用，以及物联网技术的飞速发展，现阶段利用GSM[10]模块构建信息网络，实时传输室内现场的天燃气浓度和温度，通过现场微处理器进行数据处理和运算，为保证系统可靠运行，当存在控制参数超过原来预期的设定值时，可将报警信息编辑成短信信息，然后通过GSM模块发送出去，及时告知用户或者监控人员，使得警情传递更加及时可靠，报警系统更加方便、实用。设计采用GSM模块实现远程短信无线温度[11]和燃气浓度报警，短信通信不与语音通信冲突，即使手机通话也可接收短信，方便、可靠，GSM短信息每条最多可传输140 B数据，对于报警信号而言已能满足要求。
GSM Modem模块采用标准RS232接口，EIA电平，但单片机采用TTL电平,为实现电平兼容，采用MAX232来实现EIA和TTL电平之间的转换。AT89C51单片机与GSM模块硬件连接[12]如图3所示。
图3 单片机与GSM模块的接口连接
GSM模块编程采用自带的AT命令[13]实现，该规则是要求每条命令必须以AT开头。AT指令集的功能制定和提供了用户编程及操作控制GSM模块的所有软件协议规则,数据传输采用串行通信，利用串口实现自动收发AT指令，从而控制GSM模块给用户或者监控人员收发短信的目的。AT指令中实际收发短消息的模式主要有块模式、文本模式和PDU模式3种[14]。根据实际应用情况，因模块在使用时需要厂家提供技术支持,使用不方便；而文本模式只能发送和接收英文短消息，使用不太直观，而PDU模式可收发中英文混合短消息，AT命令在各个模块中都有详细说明。本设计中，利用GSM模块进行天燃气浓度和室内温度的数据超限报警信息传输，因此只简单介绍以文本模式进行发送短消息的过程和基本指令：
AT+CSCA=″+86xxxxxxxxxxx″
AT+CNMI=2,1,0,0,1
AT+CMGF=1
AT+CMGS=″xxxxxxxxxxx″
TEP ERROR!< Z> 发送短消息内容，可根据实际编写
AT命令编写有严格的规则，每条AT指令必须以回车符作为结束;TEP ERROR!为发送的短消息内容,可根据见得参数自己设定;< Z>为CTRL+Z,其ASCII码值为26,即可发送字符串(26),每天短息发完之后都必须以< Z>结束。通过简单的编程可以知道，在T文本模式下短消息内容不用编程人员再进行编解码,编程和操作简单，通俗易懂。
2.6 其他外围电路设计
为达到系统的基本功能，实现更好的人机信息交流，还需要设置相应外围电路。为更好地实现人机信息交换，输入通过键盘操作实现，考虑CPU利用率，键盘通过外部中断方式实现，现场声报警由蜂鸣器经三极管驱动报警，光报警采用最简单的发光二极管来实现。
3 软件设计
3.1 软件环境应用
为方便设计，单片机程序开发语言选择德国Keil Software公司开发的KeilC51编译软件[15]，采用ANSI标准，能够提供了51系列单片机编程C语言环境,同时保留了汇编代码高效、快速的特点，使用方便、灵活，通用性高。
3.2 系统软件流程
该燃气泄漏无线报警器的工作原理是根据建筑室内现场使用要求，通过键盘设置温度和燃气浓度报警的上限值，然后通过温度和气体浓度传感器进行现场参数采集，对于气体浓度传感器输出为模拟信号，通过A/D转换成数字信号输送的单片机，单片机通过运算，将设定和采集值比较，如有超限情况，在现场发出声光报警的同时，将信息通过GSM模块以短信的形式告知监控人员，实现高效、快速反应，减少事故发生。系统的主程序流程如图4所示，温度及气体浓度采集通过定时器T0中断来实现，程序流程图如图5所示。
图4 天燃气泄漏无线报警主程序流程
图5 定时器T0中断子程序
在实际软件编程工作中，为避免偶然情况下引起的误报，减少系统的出错率，在软件设计时通过编程实现抗干扰，即通过多次采集气体浓度和温度的值，再通过取算数或者加权平均值等软件算法减小因单次采集引起的误差，或者经过多次采集去掉最大和最小，其他取算数平均值，也可采用当检测到指标超标时加一段延时，再重新进行检测，减少误判，其实提高系统报警准确性。
4 测试结果分析
为测试与验证本系统性能，采用成都清翔电子科技有限公司的系统板构建最小系统，采用DS18B20温度传感器进行温度模拟测量，GSM采用TC35i通信模块实现短信收发构建系统[16]，应用通用的编程软件Keil C51进行编程，然后进行了系统的可行性验证，通过测试，当温度在0～100 ℃变动时，能够识别的最小分辨率是当DS18B20数字量变化1时，温度的变化为理论值0.39°，系统实际运行时，温度的最小分辨可达到0.5 ℃，所以实际运行实测温度和实际温度的误差能够精确到±1 ℃，温度测量精度较高。同时对气体浓度采用LMP2610-C13模块实时进行检测，通过测试，气体浓度的检测相对误差为±1%。同时采用 GSM 网络，对采集的温度和天燃气浓度短信传输到制定的手机终端；另外，通过键盘对不同环境下的温度和气体浓度上限值可以任意设定，控制灵活，当出现超限情况时，能够准确及时地发出声光报警，同时通过短信形式报警，并告知当前测量值，系统总体运行稳定、性能良好。本系统的设计只是针对室内天燃气浓度和温度进行的测试和监控，该系统的设计思路和方法经过适当改造，便可在多点检测无线报警的智能家居[17]、城市污染检测和工业车间现场参数监控等方面具有广泛的应用和推广价值。
5 结束语
本设计采用AT89C51微处理器，实现了建筑室内燃气泄漏和温度检测无线报警功能，相对来说，系统比较简单、成本低、系统运行可靠、稳定；另外增设通讯模块和相关接口电路，只要做适当的软件和硬件改进，可实现现场数据多点测量和检测。该系统具有安装调试方便、测量精度高、全数字化控制和抗干扰能力强等特点，在燃气用户和工业监控等应用领域具有广阔的应用前景。
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ADesignofWirelessAlarmSystemforIndoorGasLeakage
ZHAO Yong-hua1，ZHAO Lang-tao2
(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China; 2.CollegeofElectricalEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China)
Gas as a clean energy is widely used in household,industrial,food and many other areas.In order to ensure the safe use of indoor gas in the building,the indoor gas concentration is detected and wireless alarm is realized simultaneously.The system uses the combustible gas sensor and temperature sensor,and applies AT89C51 microprocessor and the global system for mobile communication (GSM) module to complete hardware and software design of gas leak detection and wireless alarm function,so the gas concentration and temperature in the indoor environment can be detected and displayed in real-time,and the alarm is given when the amplitude exceeds the limit.The testing results show that the system has high precision of concentration and indoor temperature detection of natural gas,and can realize the wireless data transmission.Moreover,it has advantages of simple structure,low cost and convenient operation,and can greatly improve the safety of the use of natural gas.
AT89C51;gas leakage;GSM Module;wireless alarm
10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.13
赵永花，赵浪涛.室内天燃气泄漏无线报警系统设计[J].无线电工程,2017,47(12):56-60.[ZHAO Yonghua，ZHAO Langtao.A Design of Wireless Alarm System for Indoor Gas Leakage[J].Radio Engineering,2017,47(12):56-60.]
TN919.72
A
1003-3106(2017)12-0056-05
2017-06-14
国家自然科学基金资助项目(61462057)。
赵永花女，(1974—)，硕士，副教授。主要研究方向：建筑结构及智能家居。
赵浪涛男，(1974—)，硕士，副教授。主要研究方向：控制理论与工程应用。
