一种新型自动报警手持燃气抄表装置的研究

李楠

（南京工业职业技术大学，江苏南京，210023）

0 引言

随着国民经济的发展和生活水平的提高，燃气已普遍进入城镇居民家中，相比较于早期普遍使用的瓶装液化气，其使用方便且成本较低，受到了居民的欢迎，但同时也存在着一定的安全隐患，燃气泄漏不易察觉，泄漏后若导致火灾将给居民人身财产带来损失。目前，市面上一般手持燃气抄表装置主要通过红外通信方式和燃气表进行数据传输，采集用户燃气使用度数等数据，但这些燃气抄表装置通信距离短、抄表效率较低。鉴于此，为克服一般手持燃气抄表装置的不足，并提高燃气设备使用安全性，本文设计一种新型手持燃气抄表装置，该手持燃气抄表装置不仅能实现智能远距离无线抄表，而且能同时检测周围环境，当环境中燃气浓度过高或者温度过高时，自动报警。

1 系统硬件设计

基于ZigBee的自动报警手持燃气抄表装置系统包括微控制器、显示模块、声光报警模块、ZigBee模块、GSM模块、红外模块、燃气传感器、温度传感器、存储模块、键盘模块、电源模块和时钟模块[1]。硬件系统框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

微控制器对手持燃气抄表装置各模块进行控制；显示模块显示时间、燃气表发送过来的抄表数据和检测出的异常情况状态；声光报警模块在手持燃气抄表装置检测到出现燃气浓度过高或温度过高的异常情况时发出报警声音并闪烁发光进行报警；ZigBee模块通过ZigBee通信方式和燃气表进行通信，发送数据至燃气表或接收燃气表发送过来的数据[2]。微控制器和ZigBee模块采用CC2530集成芯片，显示模块采用12864OLED，声光报警模块包含蜂鸣器和LED灯。微控制器与ZigBee模块的电路连接图如图2所示。

图2 微控制器与ZigBee模块电路连接图

GSM模块通过GSM通信方式和燃气表进行通信，发送数据至燃气表或接收燃气表发送过来的数据，并可通过GSM通信方式和管理员手机进行通信，发送数据至管理员手机或接收管理员手机发送过来的数据；红外模块通过红外通信方式和燃气表进行通信，发送数据至燃气表或接收燃气表发送过来的数据。GSM模块包含SIM卡，SIM卡和GSM模块采用的集成芯片SIM800C相连。红外模块包含红外发射器和红外接收器。GSM模块电路连接图如图3所示。

图3 GSM模块电路连接图

燃气传感器检测手持燃气抄表装置所处环境的可燃气体浓度；温度传感器检测手持燃气抄表装置所处环境的温度值。燃气传感器型号为MQ-9，可检测甲烷、液化石油气等可燃气体和一氧化碳气体，适用广泛，安全性高。温度传感器采用DS18B20集成芯片。

存储模块存储接收到的抄表数据；键盘模块用于人机互动，包括选择通信方式、开启抄表程序、装置开关机；电源模块为手持燃气抄表装置各模块提供电压大小合适且稳定的电源；时钟模块用于计时，提供实时时间数据，包括年、月、日、周、时、分、秒；键盘模块包含五个按键，用于设置和功能选择。存储模块采用AT24C16集成芯片，其存储空间为16K，具有2线串行接口，连线少，通信简单。键盘模块的5只按键分别为ZigBee通信按键、GSM通信按键、红外通信按键、抄表按键和电源按键。时钟模块采用DS1302集成芯片，其是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V-5.5V，可接后备电源，保证主电源电能耗尽时仍可靠工作。电源模块包含三块可充电式锂电池、一只LDO降压芯片和一只LDO升压芯片[3]。其中锂电池电压为3.7-4.2V，电池型号为18650，电池容量为3000mAh，三块锂电池中的第一块连接LDO降压芯片，经降压为3.3V后为微控制器10和ZigBee模块4供电，第二块锂电池连接LDO升压芯片，经升压为5V后为显示模块、红外模块、燃气传感器、温度传感器、时钟模块供电，第三块锂电池给GSM模块供电。电源模块电路连接图如图4所示。

图4 电源模块电路连接图

2 软件程序设计

系统开启后，首先进行系统初始化，对微控制器的工作状态及相关寄存器初值进行设定；接着通过显示模块显示当前日期和时间数据，当前日期和时间数据由时钟模块提供，数据包括年、月、日、周、时、分、秒；再等待按键按下选择通信方式，若键盘模块中的ZigBee通信按键按下选择ZigBee通信方式，GSM通信按键按下选择GSM通信方式，红外通信按键按下选择红外通信方式；等待抄表按键按下开始抄表，若抄表按键按下则通过选定的通信方式发出抄表命令到燃气表中；接收燃气表发送过来的燃气度数等数据，将接收到的数据通过存储模块进行存储；然后通过显示模块显示接收到的数据；接着调用报警子程序；完成后等待新的命令直到结束。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

管理员可用手机通过GSM通信方式发送抄表命令短信至手持燃气抄表装置，手持燃气抄表装置通过GSM通信方式将存储的燃气度数发送回所述管理员手机[4]。当系统调用报警子程序时，首先进行初始化，接着读取燃气传感器气体浓度读数，将其和设定的标准值进行比较，如果当前气体浓度高于标准值，启动声光报警器发出报警声音并闪烁发光进行报警，如果当前气体浓度不高于标准值，直接显示当前气体浓度，再读取温度传感器温度值读数，将其和设定的标准值进行比较，如果当前温度值高于标准值，启动声光报警器发出报警声音并闪烁发光进行报警，如果当前温度值不高于标准值，直接显示当前温度值。另外，当燃气传感器检测到的室内燃气浓度过高或温度传感器检测到的室内环境温度过高时，通过显示模块显示异常情况状态“警告:检测到燃气浓度过高”；并由微控制器通过GSM模块发送报警内容“检测到燃气浓度过高”至管理员手机进行报警。

3 结束语

在社会发展迅速的今天，燃气已十分普及，为民众带来了方便、持久的热能，极大提高了人民生活水平[5]，但是包括笔者所在的南京地区在内，很多地区仍采用人工抄表方式，由抄表员进入用户家中手动抄表[6]，后疫情时代，该抄表方式存在近距离接触的弊端。本文研究的装置可智能无线远距离抄表，即通过ZigBee通信、GSM通信方式可靠传输数据，同时还兼容红外通信方式，适用广泛，免去抄表员进入千家万户的相互接触；并可通过燃气传感器和温度传感器检测周围环境，发生燃气泄漏时自动报警，在抄表的同时检测是否存在燃气泄漏等安全隐患，增强燃气安全使用性且降低人力物力成本，预防火灾事故的发生，具有良好的实用性和广阔的市场前景。