基于OneNET和ZigBee的多节点燃气监测

时元振

（山东工程职业技术大学，山东 济南 250200）

0 引言

目前我国使用天然气及液化气的人口数量众多，然而家用燃气泄漏问题常常会带来巨大风险。据2021年第七次全国人口普查所公开的数据显示，截至2020年底，我国60 岁及以上的人口已经达到2.64 亿，占比全国总人口的18.7%，许多社区的空巢老人的占比也在不断增加。由于老年人生理功能逐渐衰退、记忆力逐渐减弱，以及部分社区室内燃气管道老化等原因，使得室内燃气泄漏成为发生燃气中毒和火灾事故的主要原因。随着物联网智能家居产品的不断发展，架设燃气的智慧监测系统成为保证燃气使用安全的重要手段。

ZigBee 技术具有多节点自组网的优势，通常传感信息采集是由终端节点完成的[1-2]。在室内或者社区统一加装基于ZigBee 技术的燃气报警系统，可以实时并相对准确地测量室内环境中的可燃性气体浓度；根据气体浓度采取远程保护措施，例如打开排风和喷淋等系统，可以有效地避免液化气中毒、爆炸等安全问题，从而加强对社区居民的保护。为解决上述燃气使用过程中的安全问题，本文设计一种基于ZigBee技术及OneNET 云平台的多节点实时燃气监测系统。

1 系统框架设计

本系统采用STM32F103ZET6 芯片作为系统的主控制器，MQ2 气体传感器采集可燃气体的浓度信息，然后经过CC2530 进行模数转换，终端节点进行初步处理后通过ZigBee 组网发送给协调器，协调器可以将多节点的数据进行汇集，统一发送给STM32F103ZET6 主控芯片。STM32 系列芯片是常用于智能家居网关的芯片，因此采用STM32 系列芯片可以兼容常见的其他智能家居系统[3-5]。在主控中添加了室内的温湿度采集模块DHT11，同时继电器模块连接到主控芯片，最后通过WiFi 模块将信息上传到OneNET 云端进行实时云端监控，用户或集中管理端可以通过云端界面远程调控页面对其进行处理，如果燃气浓度超标可以通过继电器开关控制排风系统或喷淋系统，控制界面可以实现实时数据采集和远程控制开关继电器，从而实时进行多节点燃气监测。系统的结构组成如图1所示。

图1 智慧燃气监测系统结构示意图

为了实现多节点的燃气信息监测，系统中采用了ZigBee技术。ZigBee 技术具有多节点自组网的优势，多个终端监测信息后可以汇聚到路由器或者协调器进行汇总。通常情况下ZigBee 的通信距离可以达到百米左右，而且可以通过增加通信功率的方式继续增大其通信距离，因而该系统可以面向居民比较密集的社区，对社区中不同用户室内的燃气浓度信息进行统一采集与管理，从而提高社区整体的燃气使用安全性。

2 硬件设计与验证

2.1 硬件设计

CC2530 单片机是德州仪器（TI）公司生产的8 位主控芯片，属于增强型8051 系列CPU，支持Z-Stack 协议栈，可以实现自组网功能，本文用以实现ZigBee 的多节点无线通信。ZigBee 组网采集系统由MQ2 燃气监测模块、CC2530终端节点以及协调器共同构成。MQ2 气体传感器通常可以用于液化气、甲烷及一氧化碳等气体监测，该模块可以将浓度数值转化为对应的模拟电压值，然后经过CC2530 进行模数转换。终端节点主要负责采集浓度信息，本系统采用多节点测量的方式，多个终端节点与协调器之间采用点播发送的信息传送模式，多节点点播组网发送燃气浓度信息的函数定义如下：

ZigBee 协调器负责汇聚各个终端的信息，同时通过串口将数据发送到STM32 主控网关；此外为了组合智能家居的发展，主控融合了常用的温湿度采集DHT11 模块，主控将多节点的燃气浓度与温湿度等信息组合后发布到云端。本系统的网关由MCU、无线通信模块和供电模块组成[6-7]，其中MCU 选用型号为意法半导体的STM32F103ZET6 芯片；网关部分还可以兼容其他的智能家居常用的传感器，例如本设计中所包含的DHT11 温湿度传感模块，用于实时测量室内的温湿度；无线通信模块选择ESP8266 模块，STM32 与ESP8266 模块采用串口方式通信，波特率设置为115 200；系统测试采用USB 供电。图2 为测试选用的ZigBee 和STM32 硬件开发板实物。

图2 硬件实物

2.2 OneNET 云端监测界面

OneNET 云平台[8-11]是中国移动基于物联网技术打造的开放平台，可以适配多种网络环境和协议类型。本系统的观测界面采用OneNET 移动云端对多个节点的浓度信息进行实时观测。当硬件驱动程序烧录完成且硬件设备组网成功之后，多个节点的燃气浓度参数和室内温湿度数据等信息通过STM32 网关并经由ESP8266 联网模块上传发送至移动OneNET 云服务器，云平台与设备端网关的ESP8266 模块间通过MQTT 协议进行通信。OneNET 云端界面具有快速编辑的优势，其观测界面较为精简、易于控制且观测便捷。网关系统以发布和订阅MQTT 报文的方式与移动OneNET 云服务器进行数据通信；本系统在观测界面设置两组燃气浓度观测数值，同时也包括室内温湿度的实时信息；在界面中还可以通过点击开关按钮，实时控制与网关相连的继电器等外围设备，实现相关电器的管理与控制，例如通过在界面中设置的继电器开关按钮可以方便快捷地控制室内的排风和喷淋等安全辅助设备，以便于在燃气泄漏事故发生时可以快速地进行反应。

本案例以双节点终端为例，图3 为某时刻两个节点的燃气浓度和温湿度信息在OneNET 端的数据显示界面。如果需要继续添加终端节点，可以在ZigBee 组网系统中继续添加采集终端，在点播组网程序中更改不同终端节点的ID 即可完成组网。在增强天线的作用下，ZigBee 的组网距离可以达到上百米，因此系统可以面向人口密度较高的社区，进行集体化的安全检测，确保整个社区内燃气用户的安全。

图3 OneNET 云端的燃气监测界面

3 结语

本文设计了基于ZigBee 技术的多节点室内燃气泄漏监测系统，系统的优势为可进行多节点的燃气实时监测，并且易于兼容其他的智慧家居系统。系统构成主要为STM32F103ZET6主控模块、ESP8266、ZigBee 终端及协调器，监测及控制界面部分由移动OneNET 云端界面实现。系统将MQ2 测得的燃气浓度信息经终端节点进行模数转换，并通过WiFi 上传至云平台进行数据实时显示，在云端界面可以通过点击开关按钮控制继电器打开相关的安全设备。本系统的总体成本较低，可应用于密集型社区中众多燃气用户的安全防护。