基于无线通信技术的民用天然气监测系统设计概论

杨瑞琪

北京交通大学电子信息工程学院 北京 100044

引言

随着天然气的使用量不断增加，应用领域不断拓展的同时，天然气泄露造成人员伤亡的事故也不断发生。同时随着低碳经济模式的推行，更多的居民开始在家中安装天然气热水器等天然气设备。这些因素无疑增加了天然气泄露的风险，因此设计一款实用的天然气监测系统尤为重要。

目前市面上的智能天然气报警器主要是小米米家天然气报警器，此报警器内置传感器对天然气浓度进行采集，采用Honeywell先进的数字处理技术、标定方法、实时温度补偿技术对室内天然气进行监控。此报警器有两大缺陷：一是作为一种Zigbee设备，无法直接控制，需要通过网关将各个设备连接到一起，实现Zigbee设备之间的联动效应，然而在用户实际使用过程中，不但需要额外设置网关还常常会出现无法连接的问题；二是只有一个采集点进行天然气浓度的采集，采集能力较弱，范围窄且精度低，不适用于有多个天然气可能泄露点的场合并且时常会出现不报警和误报警的现象。

1 监测系统方案设计

系统主要由无线传感器网络、RS232/WIFI模块及通过WIFI网络连接的PC、智能手机等智能终端设备组成。其中无线传感器网络包括采集节点和汇聚节点两部分。采集节点中的数据采集模块将传感器感知的环境中的天然气浓度并进行A/D转换，同时经由数据处理模块进行简单数据处理，通过网内通信模块将信息汇入汇集节点中。汇集节点将信息进行数据存储并送入泄露分析模块进行判断，若判断发生泄露则启动相应的自动关闭和声光报警设备，同时发送警告到远程通信模块。远程通信模块通过RS232/WIFI模块，实现与远程智能设备的WIFI网络连接，并通过APP在智能设备上实时显示天然气泄露情况。并对传感器网络可以设置多个采集节点进行天然气数据的采集，提升了系统的可靠性与实用性。

1.1 硬件设计

各节点通用控制模块采用nRF24E1，此单片机处理模块有较高的集成度，所需要的外围器件很少，设计简单，可以有效减小节点的体积；其集成了9路100kspls/s的10bit模数转换器，能够精准采集传感器输出的模拟信号，大大提升了系统的效率和可靠性；其内置看门狗电路及RTC电路，能够有效降低节点的耗能，节约资源便于电池供电；采用其内置2.4G无线收发器nRF24L01进行通信；利用MMC存储卡作为存储载体。通用接口包括RS232串行接口和拓展接口，RS232接口用于与智能设备通过WIFI相连接，拓展接口连接各传感器模块实现信息的采集。

利用MQ-5气体传感器实现对监测区域内天然气浓度的监控，MQ-5气体传感器的气敏元件是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡，对天然气有较好的敏感度，对乙醇，烟雾几乎不响应。当监测区域内存在天然气时，传感器的电导率随着天然气浓度的增加而增大。MQ-5气体传感器可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，其灵敏度高、稳定性好、探测范围广、使用简单且具有较长的寿命[1]。

核心控制模块采用STC12C5A60S2单片机处理器，该处理器为单时钟/机器周期(1T)的8位微控制器，采用增强型8051内核，运行速度是普通89C51系列单片机运行速度的12倍，集成资源丰富，拥有I/O接口，SPI接口，以及两个UART串行数据接口，可方便实现与其他模块的连接。选用STC12C5A60S2单片机处理器作为核心控制模块可以使汇聚节点具有强大的数据处理能力，丰富的接口和较低的功耗，具有较好的实用性。

RS232/WIFI模块选用HLK-RM04模块，其为一种低成本高性能嵌入式UARTETH-WiFi(串口以太网无线网)模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网( WiFi)3个接口之间的任意透明转换。利用HLK-RM04模块,可以使传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，方便快捷地通过网络传输自己的数据

1.2 软件设计

系统工作的周期可以分为三个阶段：信息采集、信息传输和信息处理。工作流程为：系统启动之后首先进入信息采集阶段，通过采集节点中的传感器收集监测范围内的天然气浓度信息，之后进入信息传输阶段，各采集节点通过网内通信将信息传递给汇集节点，最后进入信息处理阶段，汇集节点对接受的所有浓度信息进行判断，决定是否发出天然气泄露警示并采取相关措施，并实时将相关信息传送至用户的智能设备中。

在判断天然气泄露之后，系统主动减小工作周期，以便更为精确地获得监测区域的天然气浓度变化，在天然气浓度下降到安全范围后会自动回复到正常工作周期，减少能源的消耗。构建单跳星形无线网络，采用时分方式进行数据传输，利用竞争注册、主动上传的通信机制，减少因信息冲突而导致的网络数据丢失，提升系统的数据处理能力及工作效率，降低采集节点的能量损耗。采用多层次，多级别的天然气泄露判断处理机制，结合泄露点的数量，泄露天然气的浓度以及泄漏速度综合判断并采取不同级别的应对措施[2]。

2 实验及展望

通过实验板对监测系统的灵敏度、抗干扰能力以及通信速度等方面进行了测试。将采集节点布置在封闭实验空间中，提升封闭空间内天然气的浓度，记录其报警情况，多次测试表明本系统报警的延迟时间很小，不报警与误报警的次数较少，灵敏度较高。

实验过程中，智能设备可以自动连接到RS232/WIFI模块，在相应APP上可以实时观测到天然气的浓度且偏差值较小，同时能够接收到天然气泄露的报警信息，说明本系统的通信迅速，系统可靠。

本设计在市场主流天然气报警器的基础上进行了改良与优化，并具有监测范围广，监测精度高，抗干扰能力强等优点，使得本系统具有较好的应用前景。