基于MQTT振动的自唤醒地震燃气开关嵌入式设计

魏文涵 杨 江 范 涛 杨厚丽

（1.湖北省地震局地震预警湖北省重点实验室，湖北武汉 430071；2.武汉地震科学仪器研究院有限公司，湖北武汉 430071）

随着我国经济建设的飞速发展以及城市化进程的快速推进，截至2020年我国燃气管网的总里程已接近10 万km。国外发达国家的部分城市已经建立了燃气管网地震紧急处置系统，紧急处置技术较为成熟，并在强地震中起到了减灾作用，如在1995年的日本阪神大地震中，大阪煤气公司的地震紧急自动处置系统由于自动关闭装置运行良好，有效减轻了因煤气泄漏引发的次生灾害。目前国内较多城市燃气管网应用了SCADA、GIS、GSM和GPRS系统，基于以上研究，中国地震局工程力学研究所研制的全机械式地震触发阀门，地震触发阀门设定阈值为8度，在1～5 Hz的地震频率下触发关闭，能够避免外界非地震震动的误触发。但这种全机械式地震触发阀门也存在一定的不足，比如触发阈值单一且不方便调整、无法实现远程控制、地震中缺乏具体振动数据不利于震后评估、体积大安装维护麻烦等问题。

区别于传统的地震监测设备和工程力学研究所研制的全机械式地震触发阀门，采用智能数字化加速度传感器进行加速度测量，地震燃气开关平时处于休眠状态，小振动情况下自动唤醒同时进行振动数据识别及采集，实现振动高采样实时监测。在振动超过设定阈值时自动切断燃气阀开关，有效提升了报警可靠性。利用通信模块通过MQTT协议完整的记录并传输地震数据至MQTT服务器云端，为震后分析评估提供数据支撑。

1 系统结构设计

系统硬件框架主要分为主控模块、加速度传感器模块、通信模块、供电模块。系统以ADuCM3029为主控芯片，通过软件对传感器的采样频率、振动阈值等参数进行配置，实现对传感器的控制；将采集的数据通过UART串口以设定的通信协议数据传输格式将数据传输到MQTT云端服务器。传感器模块在主控芯片控制下采集三轴加速度，将加速度测量值通过SPI串口传入主控芯片。利用通信模块SIM7020通过MQTT协议连入MQTT服务器云端，并将主控芯片中的加速度测量值存储至云端服务器。通过发布/订阅的方式，用户可以获取存储在云端的数据，实现与远程终端的数据交互。

1.1 主控模块设计

主控芯片选择的是ADI公司所生产的ADuCM3029芯片。ADuCM3029采用Cortex-M3内核，由内部振荡器提供高达26 MHz的时钟源，在运行内核或调用外设时可以通过软件配置选择使用外部晶振或内部振荡器，对需要特定时钟的外设保证合适的频率，为应用带来了高度的灵活性。256 kB的嵌入式闪存用于存储程序，64 kB的SRAM，LFCSP封装具有44个可编程GPIO引脚、3个SPI接口、1个UART、1个I2C总线、2个RTC，具有丰富的外设。

主控模块主要负责传感器数据的读取，与通信模块数据交互。SPI通信接口与加速度传感器ADXL362进行数据的传输；UART串口与通信模块连接；引脚47与51作为外部中断信号，控制芯片与传感器的模式切换。

1.2 传感器模块电路设计

在数据采样方面，ADXL362与使用周期采样实现低功耗的加速度传感器不同，没有通过欠采样混叠输入信号，采用全数据速率对传感器的带宽进行采样。ADXL362一般提供12位输出分辨率，在较低分辨率的情况下，提供8位输出分辨率实现高效的单字节传输。ADXL362量程选择±2 g时，加速度测量误差小于5%，非线性度误差小于1%，测量频带0.1～20 Hz，选择低噪声工作模式（典型值为175 μg/Hz），等效动态范围约为60 dB，满足加速度测量需求。

ADXL362加速度传感器通过SPI和ADuCM3029连接，ADuCM3029作为主机时，ADXL362提供的INT1和INT2引脚通过与主控芯片的外部中断引脚相连作为外部中断信号。

1.3 通信模块电路设计

通信模块的性能对于系统的功耗具有较大影响，同时对于所在网络信号强度的需求、网络附着所需时间、数据传输质量等因素有较大影响，选用SIMCom公司设计的面向NBIoT领域的通信模块SIM7020。

2 系统软件设计

2.1 系统工作流程设计

（1）主控模块进行初始化操作，配置系统时钟，初始化GPIO口并完成引脚复用映射；初始化SPI、设置唤醒中断；配置传感器参数，包括运动阈值、静止阈值、测量模式、采样率等，系统进入休眠模式。

（2）系统进入休眠检测模式，ADXL362以6 Hz采样率进行振动检测，有连续测量值超过设定的静止阈值时，唤醒主控模块ADuCM3029，系统进入运动检测模式，传感器以100 Hz采样率进行振动检测。

（3）主控模块ADuCM3029唤醒后，开始振动数据采集及数据处理，对下级电路发送信号开启通信模块，根据设定的服务端地址参数，主动与服务器发起连接。

（4）振动数据超过报警阈值，主控模块ADuCM3029给下级电路发送信号，控制阀门控制开关，电容迅速放电，关断燃气阀门。通信模块向服务器发送监测数据，数据类型包括报警信息、实时振动数据采集、加速度峰值数据、设备状态信息等。

2.2 开发环境搭建

系统采用主控芯片ADuCM3029为ADI公司生产，前期开发环境采用官方推荐的CrossCore Ebedded Studio（CCES）软件开发环境，后期为了增加程序可移植性，采用Keil公司开发的Keil MDK5软件开发平台进行开发。

2.3 传感器软件设计

传感器ADXL362的SPI通信首先进行驱动的移植，包括系统时钟、GPIO、SPI串口通信、TMR定时器、Interrupt外部中断等。初始化完成后再开始调用SPI通信的库函数，在ADI_InitPinmux（）函数将GPIO上引脚分别完成复用映射，保证传感器和核心板之间能够实现数据传输。

2.4 通信模块软件设计

物联网中通信十分常用，无论是近距离无线传输技术还是移动通信技术，都影响物联网的发展。在物联网协议中常用的如MQTT、CoAP、HTTP等协议，根据通信场景和数据传输的特点，选择合适的通信协议尤为重要。

MQTT的基础协议是基于TCP协议，CoAP的基础协议是基于UDP协议，考虑对数据传输的稳定性需求以及数据可靠性要求较高，MQTT通信协议更有优势。相比于其他物联网技术，MQTT的优势在于代码数量较少且需要的带宽也比较有限，更利于系统的实现。

系统初始化完成之后，对通信模块进行初始化操作，使SIM7020设备入网，供后续传输数据使用。通信模块主要通过UART串口与MCU进行通信，方式主要是通过发送AT指令的形式操作一条完整的AT指令。发送主要包括发送和响应两部分组成，过程为MCU向SIM7020发送AT指令，通信模块会立即发送一个响应消息给MCU，响应主要为了确认上条指令发送给设备后是否正确接收，若正确则执行响应操作，若失败则返回错误信息给MCU。

3 试验测试

3.1 数据传输

通过使用Eclipse Mosquitto实现MQTT协议版本的开源消息代理，编写程序实现SIM7020与MQTT代理服务器的连接，从服务器接收到SUBACK确认后，程序进入循环等待由传感器产生的中断。

传感器ADXL362任意一轴上的加速度大于设定的阈值时产生中断，之后程序将发布由传感器采集的X、Y、Z轴上的加速度数值，通过订阅此主题可以查阅相关信息，根据设定的IP地址和端口号连接上MQTT云服务器。

3.2 参数测试

（1）加速度测量误差。

燃气开关的采样率为100 Hz，振动参考频率范围为1～20 Hz，振动参考幅度的有效值宜选择为5 m/s2，计算加速度测量值与标称值的相对误差最大值作为测试结果，加速度测量误差测试结果要求＜5%（0.1～20 Hz）。

分别测量X轴向与Y轴向加速度值，采样率为100 Hz时，X轴加速度测量误差结果分别为0.686%、1.222%、0.520%、0.890%，Y轴加速度测量误差结果分别为0.306%、1.012%、1.529%、1.395%，均满足小于5%的结果要求。

（2）线性度误差测试结果。

测试信号频率选择10 Hz，对燃气开关样机输入输出两组数据进行线性拟合，计算线性拟合最大偏差，取最大偏差与输出满刻度值之比作为最终线性度误差。线性度误差测试结果要求＜1%。

X轴线性度误差测试结果为线性拟合a为1.001 4，线性拟合b为6.656 5，最大偏差值4.094，线性度误差为0.21%，满足测试结果要求。

Y轴线性度误差测试结果为线性拟合a为1.003 3，线性拟合b为-7.619 7，最大偏差值14.915，线性度误差为0.76%，满足测试结果要求。

（3）幅频特性测试结果。

在检测到超过阈值的小振动时，加速度传感器采样率为100 Hz的监控状态下，振动参考频率范围为1～41 Hz，振动参考幅度的有效值宜选择为5 m/s2。

测试可知，采样率为100 Hz时，高频截止频率为40 Hz的信号噪声为-2.855 dB，41 Hz的信号噪声为-3.719 dB，满足-3 dB的要求。

4 结语

本文以ADuCM3029为核心芯片，通过传感器ADXL362采集实时振动数据，并根据设定振动阈值产生中断实现自动唤醒功能。以通信模块SIM7020作为物联网通信模块进行数据传输，基于MQTT协议实现查阅上传到服务器的数据，长时间测试未发现数据丢包状况，数据传输稳定。通过振动台模拟振动触发试验，人为触发方式检测在小振动情况下，系统能够正常唤醒；在振动较大的情况下燃气阀门能够正常关断。通过振动台测试加速度测量误差、线性度误差、高频截止频率测试结果均满足要求，为防灾减灾工作提供了一种新的解决方案。