基于OneNET和ZigBee的多節(jié)點燃氣監(jiān)測

時元振

（山東工程職業(yè)技術大學，山東 濟南 250200）

0 引言

目前我國使用天然氣及液化氣的人口數量眾多，然而家用燃氣泄漏問題常常會帶來巨大風險。據2021年第七次全國人口普查所公開的數據顯示，截至2020年底，我國60 歲及以上的人口已經達到2.64 億，占比全國總人口的18.7%，許多社區(qū)的空巢老人的占比也在不斷增加。由于老年人生理功能逐漸衰退、記憶力逐漸減弱，以及部分社區(qū)室內燃氣管道老化等原因，使得室內燃氣泄漏成為發(fā)生燃氣中毒和火災事故的主要原因。隨著物聯(lián)網智能家居產品的不斷發(fā)展，架設燃氣的智慧監(jiān)測系統(tǒng)成為保證燃氣使用安全的重要手段。

ZigBee 技術具有多節(jié)點自組網的優(yōu)勢，通常傳感信息采集是由終端節(jié)點完成的[1-2]。在室內或者社區(qū)統(tǒng)一加裝基于ZigBee 技術的燃氣報警系統(tǒng)，可以實時并相對準確地測量室內環(huán)境中的可燃性氣體濃度；根據氣體濃度采取遠程保護措施，例如打開排風和噴淋等系統(tǒng)，可以有效地避免液化氣中毒、爆炸等安全問題，從而加強對社區(qū)居民的保護。為解決上述燃氣使用過程中的安全問題，本文設計一種基于ZigBee技術及OneNET 云平臺的多節(jié)點實時燃氣監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架設計

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 芯片作為系統(tǒng)的主控制器，MQ2 氣體傳感器采集可燃氣體的濃度信息，然后經過CC2530 進行模數轉換，終端節(jié)點進行初步處理后通過ZigBee 組網發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器可以將多節(jié)點的數據進行匯集，統(tǒng)一發(fā)送給STM32F103ZET6 主控芯片。STM32 系列芯片是常用于智能家居網關的芯片，因此采用STM32 系列芯片可以兼容常見的其他智能家居系統(tǒng)[3-5]。在主控中添加了室內的溫濕度采集模塊DHT11，同時繼電器模塊連接到主控芯片，最后通過WiFi 模塊將信息上傳到OneNET 云端進行實時云端監(jiān)控，用戶或集中管理端可以通過云端界面遠程調控頁面對其進行處理，如果燃氣濃度超標可以通過繼電器開關控制排風系統(tǒng)或噴淋系統(tǒng)，控制界面可以實現(xiàn)實時數據采集和遠程控制開關繼電器，從而實時進行多節(jié)點燃氣監(jiān)測。系統(tǒng)的結構組成如圖1所示。

圖1 智慧燃氣監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖

為了實現(xiàn)多節(jié)點的燃氣信息監(jiān)測，系統(tǒng)中采用了ZigBee技術。ZigBee 技術具有多節(jié)點自組網的優(yōu)勢，多個終端監(jiān)測信息后可以匯聚到路由器或者協(xié)調器進行匯總。通常情況下ZigBee 的通信距離可以達到百米左右，而且可以通過增加通信功率的方式繼續(xù)增大其通信距離，因而該系統(tǒng)可以面向居民比較密集的社區(qū)，對社區(qū)中不同用戶室內的燃氣濃度信息進行統(tǒng)一采集與管理，從而提高社區(qū)整體的燃氣使用安全性。

2 硬件設計與驗證

2.1 硬件設計

CC2530 單片機是德州儀器（TI）公司生產的8 位主控芯片，屬于增強型8051 系列CPU，支持Z-Stack 協(xié)議棧，可以實現(xiàn)自組網功能，本文用以實現(xiàn)ZigBee 的多節(jié)點無線通信。ZigBee 組網采集系統(tǒng)由MQ2 燃氣監(jiān)測模塊、CC2530終端節(jié)點以及協(xié)調器共同構成。MQ2 氣體傳感器通?？梢杂糜谝夯瘹狻⒓淄榧耙谎趸嫉葰怏w監(jiān)測，該模塊可以將濃度數值轉化為對應的模擬電壓值，然后經過CC2530 進行模數轉換。終端節(jié)點主要負責采集濃度信息，本系統(tǒng)采用多節(jié)點測量的方式，多個終端節(jié)點與協(xié)調器之間采用點播發(fā)送的信息傳送模式，多節(jié)點點播組網發(fā)送燃氣濃度信息的函數定義如下：

ZigBee 協(xié)調器負責匯聚各個終端的信息，同時通過串口將數據發(fā)送到STM32 主控網關；此外為了組合智能家居的發(fā)展，主控融合了常用的溫濕度采集DHT11 模塊，主控將多節(jié)點的燃氣濃度與溫濕度等信息組合后發(fā)布到云端。本系統(tǒng)的網關由MCU、無線通信模塊和供電模塊組成[6-7]，其中MCU 選用型號為意法半導體的STM32F103ZET6 芯片；網關部分還可以兼容其他的智能家居常用的傳感器，例如本設計中所包含的DHT11 溫濕度傳感模塊，用于實時測量室內的溫濕度；無線通信模塊選擇ESP8266 模塊，STM32 與ESP8266 模塊采用串口方式通信，波特率設置為115 200；系統(tǒng)測試采用USB 供電。圖2 為測試選用的ZigBee 和STM32 硬件開發(fā)板實物。

圖2 硬件實物

2.2 OneNET 云端監(jiān)測界面

OneNET 云平臺[8-11]是中國移動基于物聯(lián)網技術打造的開放平臺，可以適配多種網絡環(huán)境和協(xié)議類型。本系統(tǒng)的觀測界面采用OneNET 移動云端對多個節(jié)點的濃度信息進行實時觀測。當硬件驅動程序燒錄完成且硬件設備組網成功之后，多個節(jié)點的燃氣濃度參數和室內溫濕度數據等信息通過STM32 網關并經由ESP8266 聯(lián)網模塊上傳發(fā)送至移動OneNET 云服務器，云平臺與設備端網關的ESP8266 模塊間通過MQTT 協(xié)議進行通信。OneNET 云端界面具有快速編輯的優(yōu)勢，其觀測界面較為精簡、易于控制且觀測便捷。網關系統(tǒng)以發(fā)布和訂閱MQTT 報文的方式與移動OneNET 云服務器進行數據通信；本系統(tǒng)在觀測界面設置兩組燃氣濃度觀測數值，同時也包括室內溫濕度的實時信息；在界面中還可以通過點擊開關按鈕，實時控制與網關相連的繼電器等外圍設備，實現(xiàn)相關電器的管理與控制，例如通過在界面中設置的繼電器開關按鈕可以方便快捷地控制室內的排風和噴淋等安全輔助設備，以便于在燃氣泄漏事故發(fā)生時可以快速地進行反應。

本案例以雙節(jié)點終端為例，圖3 為某時刻兩個節(jié)點的燃氣濃度和溫濕度信息在OneNET 端的數據顯示界面。如果需要繼續(xù)添加終端節(jié)點，可以在ZigBee 組網系統(tǒng)中繼續(xù)添加采集終端，在點播組網程序中更改不同終端節(jié)點的ID 即可完成組網。在增強天線的作用下，ZigBee 的組網距離可以達到上百米，因此系統(tǒng)可以面向人口密度較高的社區(qū)，進行集體化的安全檢測，確保整個社區(qū)內燃氣用戶的安全。

圖3 OneNET 云端的燃氣監(jiān)測界面

3 結語

本文設計了基于ZigBee 技術的多節(jié)點室內燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的優(yōu)勢為可進行多節(jié)點的燃氣實時監(jiān)測，并且易于兼容其他的智慧家居系統(tǒng)。系統(tǒng)構成主要為STM32F103ZET6主控模塊、ESP8266、ZigBee 終端及協(xié)調器，監(jiān)測及控制界面部分由移動OneNET 云端界面實現(xiàn)。系統(tǒng)將MQ2 測得的燃氣濃度信息經終端節(jié)點進行模數轉換，并通過WiFi 上傳至云平臺進行數據實時顯示，在云端界面可以通過點擊開關按鈕控制繼電器打開相關的安全設備。本系統(tǒng)的總體成本較低，可應用于密集型社區(qū)中眾多燃氣用戶的安全防護。