摘　要：針對當前家庭使用天然氣存在的泄漏隱患問題，提出了一種基于單片機技術和無線射頻技術的多點分布式天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。闡述了系統(tǒng)的工作原理，詳細介紹了硬件電路的設計和系統(tǒng)軟件的設計。

關鍵詞：天然氣；分布式；單片機；射頻技術；監(jiān)測

一、引言

隨著國家節(jié)能減排和清潔能源計劃的推進，越來越多的城鎮(zhèn)居民家中通上了管道天然氣，但主要成分為甲烷(CH₄)的管道天然氣對于使用家庭存在危險隱患，當甲烷在空氣中含量為5%～16%時，具有爆炸危險性；當含量高于16%時，沒有爆炸性，但可以燃燒；甲烷本身雖然無毒，但空氣中甲烷濃度過高時，相對降低了空氣的含氧量，對人有窒息作用。

目前開發(fā)的各種甲烷檢測儀多為單點監(jiān)測，無法實現(xiàn)多居室或多個潛在燃氣泄漏點的同時監(jiān)測，不適合在一般家庭普及使用。為克服現(xiàn)有技術不足，基于單片機和無線射頻技術設計了一種分布式天燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。該分布式燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠通過多點監(jiān)測、射頻模塊無線傳輸方式實現(xiàn)對居室環(huán)境中可能存在燃氣泄漏的多個監(jiān)控點的同步實時監(jiān)測。

二、系統(tǒng)組成和工作原理

分布式燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)控主機和多個數(shù)據(jù)采集從機，其原理框圖如圖1所示：

監(jiān)控主機包括單片機MSP430F247、人機交互模塊、聲光報警模塊、GSM模塊和ZigBee射頻模塊；數(shù)據(jù)采集從機如右側(cè)所示，包括供電電源模塊、燃氣濃度檢測模塊、ZigBee射頻模塊。數(shù)據(jù)采集從機放置在管道接口、廚房或燃氣鍋爐房等燃氣泄漏重點監(jiān)測區(qū)域，監(jiān)控主機和多個數(shù)據(jù)采集從機之間通過ZigBee射頻模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸與交換。

數(shù)據(jù)采集從機中的燃氣濃度檢測模塊通過MQ-9可燃氣體傳感器及其調(diào)理電路，將檢測到的燃氣濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號并放大后送ZigBee射頻模塊，射頻模塊通過無線傳輸模式將燃氣濃度信息傳輸給監(jiān)控主機，監(jiān)控主機由單片機MSP430F247內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行分析處理。監(jiān)控主機負責對其組網(wǎng)范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)采集從機進行編碼和身份確認并進行定時巡檢，若無線射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)超出監(jiān)控主機的預設燃氣濃度警戒數(shù)值，監(jiān)控主機將其與預設數(shù)據(jù)比較后控制聲光報警模塊發(fā)出相應報警提示。

三、系統(tǒng)硬件電路組成

單片機采用美國德州儀器公司TI公司的MSP430F247，具有超低功耗、高性能模擬技術以及豐富的片上處理模塊等特點。MSP430F247內(nèi)置多通道12bitA/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有四個串行接口，支持SPI、UART、I2C通信，更方便設計與GSM、LCD等其他擴展模塊的連接。

燃氣濃度檢測模塊包括核心器件MQ-9半導體可燃氣體傳感器及其外圍的信號調(diào)理電路，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，高溫(5.0V加熱)檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體，具有可靠性高、成本低的優(yōu)勢。

ZigBee射頻模塊采用德州儀器公司提供的射頻模塊CC2420EM，該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段工作；并且提供一個SPI接口與微處理器相連，完成寄存器的設置和收發(fā)數(shù)據(jù)的任務。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

供電電源模塊通過三端穩(wěn)壓芯片LM7805得到+5V電壓，經(jīng)過芯片PS7333Q構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路得到+3.3V的穩(wěn)定電壓。+5V電壓滿足運放供電的要求，+3.3V電壓將為MSP430F247、射頻模塊CC2420、液晶顯示模塊12864、GSM模塊TC35和聲光報警模塊提供供電電源。　　　　

人機交互模塊由鍵盤輸入與液晶顯示電路實現(xiàn)，用戶通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)的開啟和關閉、系統(tǒng)工作模式的選擇、報警閾值的設定。鍵盤采用單鍵輸入式，簡化了控制程序。液晶顯示模塊選用帶漢字庫的點陣式12864顯示器，采用并行控制模式，液晶的8個數(shù)據(jù)傳輸管腳及6個控制管腳分別對應于MSP430F247的14個I/O口，通過相應I/O的設定控制顯示信息。GSM無線通訊模塊選用西門子公司推出的TC35，設計中使用短消息發(fā)收功能。TC35收發(fā)短消息共有三種模式：Block模式，PDU模式和Text模式，本系統(tǒng)采用Text模式來進行數(shù)據(jù)的傳輸，可以與手機實現(xiàn)雙向通信，從而達到實時監(jiān)控報警和遠程數(shù)據(jù)記錄的功能。硬件上通過MSP430F247的串口數(shù)據(jù)線UCA0TXD、UCA0RXD和MAX232相連，實現(xiàn)與GSM模塊之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。聲光報警模塊核心器件為語音芯片ISD1420，在監(jiān)測到燃氣泄漏后接受處理器的指令發(fā)出相應語音信號報警和紅色警示燈閃爍報警。

四、系統(tǒng)軟件設計

分布式燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)家居具體人員情況提供兩種工作模式，現(xiàn)場監(jiān)測模式和遠程監(jiān)測模式。若選擇現(xiàn)場監(jiān)測模式，在發(fā)生燃氣泄漏時，監(jiān)控主機可以由液晶顯示屏讀出燃氣泄漏點數(shù)據(jù)采集從機的編號和其所處位置環(huán)境的燃氣濃度，聲光報警模塊開啟警示燈的同時發(fā)出語音報警；若選擇工作在遠程監(jiān)測模式下，當檢測到的燃氣濃度值超過設定閾值時，警示燈開啟、蜂鳴器發(fā)出報警聲。與此同時，當前數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送到目標手機終端。

系統(tǒng)的主要功能是由軟件實現(xiàn)，所有程序采用C語言編寫。主要包含三個進程，主程序、現(xiàn)場監(jiān)測模式進程和遠程監(jiān)測模式進程，主程序包括系統(tǒng)的初始化、工作模式的選擇和按鍵操作，系統(tǒng)初始化后，LCD顯示系統(tǒng)主界面；按鍵操作均采用中斷方式設計，可以減少CPU的占用時間，通過工作模式的選擇調(diào)入其他相應的進程?，F(xiàn)場監(jiān)測模式進程中主要進行數(shù)據(jù)的采集、本地記錄和顯示，而不作遠程發(fā)送，遠程監(jiān)測模式進程中，除了進行數(shù)據(jù)的采集顯示，還實時通過GSM向遠端發(fā)送。

五、結(jié)束語

該分布式燃氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能通過多點監(jiān)測、無線傳輸方式實現(xiàn)對多個潛在燃氣泄漏點的有效監(jiān)測及燃氣濃度顯示，在某個監(jiān)測點燃氣檢測量超標時能夠發(fā)出聲光報警、泄漏點位置指示。其結(jié)構(gòu)簡單、設計新穎合理，提供實時監(jiān)測和遠程檢測兩種不同工作模式。相比較同類產(chǎn)品，可擴展能力強，能有效地預防燃氣泄漏隱患，具有較為廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]沈建華，楊艷琴，翟驍曙編著.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].清華大學出版社，2004

[2]張志偉.一種遠程礦井瓦斯?jié)舛葯z測儀的設計[J].煤礦安全，2011，(2)：78-80.

(本文作者：張志偉 陜西理工學院物理與電信工程學院)