燃氣泄漏監(jiān)測報警控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

傅仁軒，陳龍飛，王慶華

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東 廣州 510510；2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

可燃性氣體作為燃料，除用于居民生活外，在工廠、公共建筑等領域的應用越來越廣泛，在給生產(chǎn)生活帶來便利的同時存在許多安全隱患[1]。2021年我國連續(xù)發(fā)生多起燃氣泄漏事故，給人民生命財產(chǎn)造成危害，因此可燃氣體泄漏檢測和報警控制是一項非常必要的工作[2]。市場上已有多個廠家生產(chǎn)的可燃氣體報警器產(chǎn)品，有獨立型和有線組網(wǎng)方式型兩種[3]。獨立型一旦有險情發(fā)生，現(xiàn)場報警器發(fā)出聲光報警。但如果現(xiàn)場無人，則無法關閉氣閥等現(xiàn)場進行處理，易造成嚴重后果。有線型的報警系統(tǒng)，報警器的輸出用導線連接機械手閥門，當有報警發(fā)生時，報警器的輸出使機械手閥門關閉，切斷氣源，不會使泄漏氣體繼續(xù)擴散，但在用氣現(xiàn)場布線難，線路易老化、易損壞[4]。本文基于無線通信技術設計了一種適用于居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等環(huán)境下的燃氣泄漏報警控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程雙重報警并及時開啟聯(lián)動控制裝置排除險情，可在很大程度上降低災情的發(fā)生，保護人民生命財產(chǎn)的安全。

1 系統(tǒng)總體方案設計

燃氣泄漏報警控制系統(tǒng)主要由可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設備、無線網(wǎng)關、監(jiān)控中心等組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖1所示。其中可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設備安裝在用氣設備附近，無線網(wǎng)關選擇安裝在節(jié)點設備集中、地勢高的地方，實現(xiàn)區(qū)域信號覆蓋，方便與節(jié)點設備進行通信。

圖1 可燃氣體監(jiān)測報警控制系統(tǒng)架構圖

系統(tǒng)由三級網(wǎng)絡構成，無線網(wǎng)關與監(jiān)控中心平臺通過4G全網(wǎng)通組成一級網(wǎng)絡，實現(xiàn)可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設備與監(jiān)控中心平臺[5]之間的雙向數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的上下貫通；可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設備與網(wǎng)關通過LoRa無線技術組成二級網(wǎng)絡；監(jiān)測節(jié)點設備的報警器與聯(lián)動裝置通過藍牙無線技術組成三級網(wǎng)絡；監(jiān)控中心既能通過操作員站、移動智能終端對各監(jiān)測節(jié)點設備下發(fā)命令進行控制，又能接收各監(jiān)測節(jié)點的實時信息，對這些信息進行分析、處理、存儲，形成歷史數(shù)據(jù)及各種報表，實現(xiàn)泄漏氣體全過程可追溯。有報警時產(chǎn)生聲光報警，并將信息發(fā)送到相關人員手機上[6]，以便及時處理險情，確保用氣安全可控。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 網(wǎng)關設計

網(wǎng)關是數(shù)據(jù)上下行傳輸?shù)闹行墓?jié)點[7]，網(wǎng)關下行通過LoRa網(wǎng)絡與可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設備通信，上行通過4G全網(wǎng)通或以太網(wǎng)與監(jiān)控中心平臺通信。網(wǎng)關硬件系統(tǒng)主要由MCU、LoRa收發(fā)模塊，4G全網(wǎng)通由收發(fā)模塊、電源等組成，電路設計如圖2所示。MCU選擇采用32bit ARM Cortex-M4F內(nèi)核的N32G457RC，其最高工作主頻144 MHz。設計3.3 V的工作電源。

圖2 網(wǎng)關電路圖

以太網(wǎng)接口設計，N32G457RC的10/100 Mbps以太網(wǎng)MAC(媒體訪問控制器)模塊，支持MII(媒體獨立

接口)與RMII(簡化的媒體獨立接口)兩種與物理層(PHY)通訊，實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。

4G通信接口設計，4G全網(wǎng)通模塊選用移遠通信的LTE Cat 4無線通信模塊EC200T-CN，通過MCU的UART接口與該模塊的UART接口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。設計電壓3.8 V、電流不小于2 A的電源，用于給模塊的基帶供電和射頻供電，同時為外部GPIO提供1.8 V的電平。通過MCU的I/O控制該模塊NRST為低電平時模塊復位。MCU通過采集該模塊的NET_STAUS、NET_MODE輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)其工作狀態(tài)決定發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。由于模塊的串口電平為1.8 V，需要采用TSX0108EPWR電平轉換芯片與3.3 V的MCU主機系統(tǒng)UART連接。

LoRa通信接口設計。LoRa模塊選用LSD4WN-2R717M90，通過MCU的UART接口與該模塊的UART接口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。設計電壓3.3 V的電源，通過MCU的I/O控制LoRa工作狀態(tài)，如當MCU使NRST為低電平時模塊復位；當MCU使MODE為高電平時模塊工作于命令模式，在命令模式下，MCU通過串口發(fā)送 AT指令來訪問模塊，配置及查詢模塊工作參數(shù)；當MCU使MODE為低電平時模塊工作于透傳模式，在透傳模式下，模塊直接轉發(fā)用戶數(shù)據(jù)；當MCU使WAKE為低電平時進入睡眠模式；當MCU使WAKE為高電平時喚醒睡眠，進入正常工作模式；同時MCU通過采集LoRa模塊的BUSY、SATA輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)其工作狀態(tài)決定發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。LoRa模塊采用串行接口與用戶設備進行數(shù)據(jù)、指令交互，實現(xiàn)快速LoRaWAN網(wǎng)絡接入和無線數(shù)據(jù)通信等功能。

2.2 可燃氣體監(jiān)測節(jié)點設計

可燃氣體監(jiān)測節(jié)點包括報警控制器、機械手閥門控制器、排氣扇控制器等[8]。監(jiān)測節(jié)點結構圖如圖3所示。網(wǎng)關與報警控制器通過LoRa技術組成無線網(wǎng)絡，可實現(xiàn)多個報警器同時與網(wǎng)關通信。當氣體泄漏濃度大于閾值時，通過主動上報的方式將氣體泄漏濃度數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關，網(wǎng)關將接收的各報警控制器數(shù)據(jù)打包上傳給監(jiān)控中心平臺。報警控制器與機械手閥門控制器、排氣扇控制器通過藍牙技術組成無線網(wǎng)絡，報警控制器是這個無線網(wǎng)絡中的主設備，機械手閥門控制器、排氣扇控制器是網(wǎng)絡中的從設備，它們之間通過無線藍牙進行數(shù)據(jù)通信。

圖3 可燃氣體監(jiān)測節(jié)點結構圖

2.2.1 報警控制器硬件設計

報警控制器是節(jié)點設備的核心設備，包括氣體傳感器、藍牙模塊、LoRa模塊、MCU控制器，報警控制器的電路圖如圖4所示。MCU采用32-bit ARM Cortex-M0內(nèi)核的N32G02Gx,工作頻率80 MHz。

傳感器的接入電路，選擇TTL輸出的燃氣傳感器，煤氣的主要成分是一氧化碳，天然氣的主要成分甲烷CH4，探測器主要檢測氣體濃度，監(jiān)測范圍為0～100%LEL。傳感器輸出值較小，必須經(jīng)過放大器放大后才能被A/D轉換電路接收，放大器選擇最低功耗零漂移運算放大器LTC2063。傳感器與放大器的連接電路如圖5所示[9-10]，將較小的傳感器輸出電壓經(jīng)過運算放大器放大到需要的電壓值Vout，輸出電壓Vout接到圖4中MCU的AVDD1。

圖4 報警器的電路

圖5 傳感器與放大器的連接電路

LoRa通信接口設計。LoRa模塊選用LSD4RF-2R714N10，通過MCU的SPI接口與該模塊的SPI接口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，通過MCU的GPIO控制LoRa的接收與發(fā)送，當MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=1時發(fā)送數(shù)據(jù)，當MCU使SW-CTL1=1，SWCTL2=0時接收數(shù)據(jù)，當MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=0時待機，當MCU使NREST為低電平時模塊復位，同時MCU通過采集LoRa模塊的BUSY輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)。LoRa通信模塊與N32G020G5之間的通信電路與控制電路連接如圖4所示。

藍牙通信接口設計。藍牙通信選擇2.4 GHz片載系統(tǒng)(SoC)CC2541芯片，報警控制器中的藍牙設計為主機。MCU通過I2C通信接口控制藍牙通信模塊聯(lián)動現(xiàn)場安裝的機械手閥門和排氣扇，關斷輸氣管道閥門、打開排氣扇，藍牙通信CC2541與N32G020G5之間的電路連接如圖4所示。

報警控制器的功能設計。檢測室內(nèi)的燃氣泄漏濃度，當濃度達到設定的報警值時，報警控制器完成三項任務：MCU通過LoRa通信模塊向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息；MCU通過MOS管AQ3400驅(qū)動報警燈閃爍、驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，現(xiàn)場產(chǎn)生聲光報警；MCU通過藍牙通信模塊啟動現(xiàn)場聯(lián)動裝置關斷閥門、打開排氣扇。

2.2.2 聯(lián)動控制設計

聯(lián)動控制設備包括閥門控制器[11]和排氣扇控制器[12]。閥門控制器由機械手和控制器組成，控制器包括CPU、藍牙、開閥控制、關閥控制、閥狀態(tài)等。排氣扇控制器由排氣扇和控制器組成，控制器包括CPU、藍牙、開排氣扇控制、關排氣扇控制、排氣扇狀態(tài)等。

控制器選擇CC2541片載系統(tǒng)，藍牙通信設計為從機，與報警控制器的主機配對通信。為了控制閥門的開啟與關閉，設計了開閥控制和關閥控制，為了判斷輸出控制的結果是否正確，設計了輸入接口，將閥門的狀態(tài)(開或關)返回給CPU，若CPU檢測到輸入狀態(tài)與輸出控制值不符，將重新發(fā)送輸出控制指令，直到檢測到輸出控制結果正確。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測節(jié)點軟件、網(wǎng)關軟件和監(jiān)測中心軟件，系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。監(jiān)測節(jié)點軟件有報警控制器軟件、機械手閥門控制器軟件、排氣扇控制器軟件。報警控制器是藍牙通信的主設備，機械手閥門控制器和排氣扇控制器是藍牙通信的從設備，報警控制器有正常狀態(tài)和報警狀態(tài)，實時采集燃氣濃度值，并與報警值進行比較，判斷是否現(xiàn)場報警和啟動聯(lián)動設備，并把采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關傳送給監(jiān)控中心。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

監(jiān)控中心的軟件主要功能是對網(wǎng)關轉發(fā)的信息進行解析、儲存和顯示。當某監(jiān)測節(jié)點燃氣濃度超標，監(jiān)控中心聲光報警，在電子地圖上定位報警節(jié)點，顯示該節(jié)點的位置信息，并用短信、微信通知聯(lián)系人及運維工程師及時排除險情。

4 系統(tǒng)測試

對報警控制系統(tǒng)進行實驗測試，測試平臺如圖1所示，測試設備包括監(jiān)控中心計算機1臺，網(wǎng)關1臺，2個可燃氣體監(jiān)測節(jié)點(每個節(jié)點包括報警器控制器、閥門控制器、排氣扇控制器)，通電后各個監(jiān)測節(jié)點開始工作，經(jīng)過初始化后，LoRa組網(wǎng)成功，藍牙組網(wǎng)成功。

將可燃氣體傳感器放置在氣源處，逐漸打開氣源開關，從監(jiān)控中心計算機顯示界面觀察到氣體濃度值在變化，證明監(jiān)控節(jié)點在網(wǎng)路中運行正常。當燃氣濃度值超過設定的閾值時，監(jiān)控節(jié)點向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息，同時報警器現(xiàn)場發(fā)出聲光報警，啟動閥門控制器和排氣扇控制器聯(lián)動。根據(jù)長時間多次測試的數(shù)據(jù)，證明該系統(tǒng)對可燃氣體濃度的測量精確度較高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。主要功能測試如表1所示。

表1 監(jiān)控節(jié)點功能測試表

5 結語

本文設計以N32G系列微處理器為主控芯片，結合多種無線通信組網(wǎng)技術，設計研發(fā)了可燃氣體泄漏監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關的軟硬件，監(jiān)測節(jié)點的報警控制器及聯(lián)動裝置采用CC2541通信、網(wǎng)關與監(jiān)測節(jié)點之間采用LoRa通信，網(wǎng)關與數(shù)據(jù)中心之間采用4G及以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)了由三級通信網(wǎng)絡組成的可燃氣體泄漏報警控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通信傳輸能力強、系統(tǒng)組網(wǎng)數(shù)量多的優(yōu)點，既能實時監(jiān)測各節(jié)點可燃氣體濃度，又能實現(xiàn)本地/遠程雙重報警，提高了預防燃氣泄漏安全等級。該系統(tǒng)不僅可以用在居民小區(qū)的可燃氣體泄漏報警，也可以應用到工業(yè)園區(qū)等其他環(huán)境，為燃氣泄漏報警應用提供了解決方案。