隨著人們生活質量的提高，液化氣、天然氣等清潔能源的應用越來越廣泛。燃氣事業的迅速發展，給人們帶來方便的同時也帶來了潛在的危險。燃氣在使用過程中易發生泄漏事故，一旦空氣中泄漏的燃氣較多，極易引起火災、爆炸等重大安全事故。由于燃氣濃度過高的危險不易被人察覺，在燃氣泄漏爆炸的多發場所，如天然氣加氣站、液化氣站、城市餐館的廚房等，存在著重大的安全隱患[1]。

    現有燃氣報警器只滿足基本的報警需求，在發生燃氣泄漏危險時發出聲、光報警，而無法反映燃氣泄漏至報警的濃度積累過程[1]。由于電路簡單、功能單一，這種燃氣報警器成本很低，在很多場合有應用。但這種報警器不能記錄燃氣濃度，無法讓用戶在燃氣泄漏初期就及時了解燃氣濃度的變化趨勢，存在監控范圍有限、不能遠程監控的局限性。
    除了初級的燃氣報警器，工業級燃氣泄漏監測設備被大量應用在如天然氣采集井站、天然氣輸送管道等工業場所。通常此類設備都是復雜的實時燃氣監測報警系統,采用RS-485有線網絡或GPRS網絡實現大范圍的燃氣泄漏遠程監控，有實時監測、歷史曲線查詢等多種功能,且具有監測精度高、可靠性好、系統化等諸多優點[2-3]。然而將這種大型工業控制系統移植到各個燃氣泄漏的多發場所又困難重重。監控區域范圍小而分散、引進成本高、安裝或維護成本高等問題尤其突出。
    為了有效減少天然氣加氣站、液化氣站、城市餐館的廚房等場所由于燃氣泄漏導致的損失，加強對燃氣泄漏的初期監測是非常有必要的。本文通過對以上小型燃氣集中場所中燃氣監測需求的分析，提出了一種基于短距離無線/有線通信的燃氣監測報警系統。它不僅保持了工業級燃氣監測系統的優勢,有較高的監測精度、動態曲線顯示、歷史數據查詢和遠程監控等功能，而且繼承了現有燃氣報警器低成本、小型化的傳統。在遠程監控方面，改用短距離無線通信技術，兼容有線通信來適應復雜的應用環境。此外，該系統還加入了環境溫度監控和二級報警的功能，加強監控，提早預警。
1 系統總體方案設計
    本系統主要分為無線/有線燃氣監測終端、接收終端和上位機監控平臺三部分。系統示意圖如圖1所示?？紤]到小型燃氣集中場所中，燃氣使用點分散，因此應當在多處隱患點配置燃氣監測終端。燃氣監測終端不僅實現獨立的燃氣泄漏報警功能，還將定時采集的燃氣濃度和溫度數據通過433 MHz無線鏈路或RS-232有線鏈路主動上傳到上位機。上位機則通過無線接收終端或串口接收數據進而實現動態曲線顯示、歷史數據查詢和報警等功能。根據應用環境的變化，系統中接收終端與燃氣監測終端的關系可由一對一轉變為一對多。當燃氣濃度或環境溫度超過預警或報警值時，燃氣監測終端能夠及時發出本地預警/報警，并且上位機端也能夠預警/報警來提醒用戶注意燃氣使用安全。

以適應單片機的輸入電壓的采集范圍，得到更高的測量精度。為將模擬電壓信號數字化以實現對燃氣濃度的實時監測,采用ADC轉換電路是很有必要的。更重要的是，能把數字化的燃氣濃度數據進行線性化校正和補償處理來保證較高的測量精度[4]。再加上終端系統對數據采集、控制溫度采集和報警電路等需求，選用內嵌ADC的8位單片機能很好地實現這些功能，來完成燃氣濃度數據的采集、校正補償和系統控制，既保證測量精度，又保證系統的穩定性和實時性。433 MHz無線收發模塊和RS-232有線模塊作為通信模塊，將數據上傳到上位機。獨立的電源模塊接入市電，完成降壓、濾波、穩壓等任務，是整個系統的動力源。
    本系統中的器件均選用通用的性價比高的器件，有很強的適用性。因此本系統低成本、小型化、測量精度較高、綜合性能好，有很大的應用前景。
2 系統硬件設計
2.1 燃氣監測終端硬件設計
    氣體傳感器選用通用的催化燃燒式氣體傳感器，具有輸出信號線性好、指數可靠、成本低等優點[5]。氣體傳感電路采用惠斯頓電橋測試電路，當空氣中有一定的可燃氣體時，探測元件因燃燒而電阻值上升，使得電橋失衡，輸出微小電壓差。模擬信號處理電路采用典型差分運算放大電路，將氣體傳感電路輸出的微小電壓差放大，使放大后的電壓差均勻映射到單片機模擬電壓的采集范圍，以保證測量精度。電路原理圖如圖3所示。其中，通過可調電阻R12可調節氣體傳感電路的零點，使電橋平衡。

    溫度傳感器采用的DS18B20是一種“一線總線”接口芯片，被普遍使用的數字溫度傳感器。與傳統的測溫元件相比，它是一種體積小、適用電壓寬、與單片機接口簡單的數字化溫度傳感器。其精度高、測溫范圍寬、抗干擾能力強等優點非常適合本系統測量溫度的需求。
    燃氣監測終端選用8位單片機STM8S103K3為核心控制器，在燃氣濃度數據的數字化和線性化處理工作中起重要作用。該款單片機具有3級流水線的哈佛結構，內置10位ADC，可提供多路復用通道實現模數轉換，有UART、SPI和I2C多種通信接口。因此，不論是采集模擬電壓信號和數字信號還是搭載多種通信接口的外設，該款單片機都能滿足本系統的需求。而且該款單片機具有單線接口模塊和調試模塊，可以方便地進行在線編程和調試。
    無線發送模塊采用常用的433 MHz射頻芯片CC1101。CC1101是一款低功耗、集成度高、多通道的高性能無線射頻收發芯片，最高數據傳輸速率可達500 kb/s，特別適合于433 MHz短距離通信設備的無線應用[6]。射頻芯片通過SPI接口與單片機相連， 其硬件連接圖如圖4所示。在SPI工作模式下，單片機為主機模式，射頻芯片為從機模式。

2.2 無線接收終端硬件設計
    無線接收終端是以CC1101芯片和通用8051單片機為核心的USB虛擬串口無線數傳模塊，專用于上位機的無線通信應用[6]。其硬件結構圖如圖5所示。無線接收終端主要實現數據的匯聚和轉發功能，由單片機控制射頻芯片接收數據，通過USB虛擬串口與上位機物理連接，將接收到的數據轉發到上位機監控平臺。

3  軟件設計
3.1燃氣監測終端發送數據包格式
    燃氣監測終端通過通信模塊定時主動上傳燃氣濃度和環境溫度數據。在監測區域內，每個終端有唯一的編號。終端周期性地向上位機發送的數據包共有6 B，分別標識終端編號、燃氣濃度ADC值、溫度值和校驗位，其格式定義如表1所示。上位機接收到數據包后，依字節解析出終端的編號并按公式轉換成對應的燃氣濃度和溫度數據。

3.2 燃氣監測終端軟件設計
    燃氣監測終端的軟件設計采用STM8S控制器的開發工具STVD編寫，編程語言為 C語言。可實現數據采集、數據校正處理、狀態指示和報警、上傳數據等功能。
　 系統上電后，系統時鐘和各模塊初始化，單片機定時采集信號處理電路的輸出電壓轉換成ADC值。單片機采取對燃氣的ADC值5次取平均的措施防止誤警情況的發生。但這種情況下，燃氣濃度突增時有遺漏報警的可能，因此單片機在每次采集時都判斷是否超到報警值來應對突發情況。最后讀取溫度數據，將采集到的燃氣濃度ADC平均值和溫度數據打包處理，以統一的數據包格式通過通信模塊發送到上位機。軟件流程圖如圖6所示。

3.3 無線接收終端軟件設計
    無線接收終端的軟件運行在8051單片機上，主要功能是控制CC1101射頻芯片接收數據包，然后通過串口轉發到上位機。軟件流程圖如圖7所示。

4 試驗結果及監控平臺驗證
    試驗環境設定為甲烷-空氣混合氣體測試環境。將已調好零點的2臺燃氣監測報警終端同時終端編號為0x01和0x02，將其放入甲烷氣體測試箱，接通電源后打開上位機監控軟件。依次向氣體測試箱中注入等體積的甲烷，每次注入的甲烷體積約為氣體測試箱體積的1‰，通過上位機監控軟件可看到2個終端在不同甲烷濃度下的甲烷濃度和測試箱溫度[7]。試驗結果顯示2臺終端具有幾乎一致的結果曲線，這里僅給出一個終端的曲線圖，圖8所示為終端編號0x02的試驗結果曲線圖。測試時上位機監控軟件界面如圖9所示，圖中展示的功能為歷史曲線查詢。

    分析試驗數據可知，本系統的結果曲線具有非常好的線性度，燃氣監測精度保持在4%以內，報警點測量精度可控制到3%以內，精度較高，滿足了應用的需求。
    上位機監控軟件采用Visual Studio 2008作為開發工具。實現對各終端的氣體濃度和溫度的數據監測、動態曲線繪制、歷史數據查詢和二級報警提示功能。同時可通過Excel表格數據庫對歷史數據進行查詢、刪除、打印等操作。監測報警界面使用C#編程實現，可以實時查看各終端的氣體濃度和溫度數據及動態曲線。
    本燃氣監測與報警系統具有氣體濃度和溫度數據采集的雙重功能，采用短距離無線通信技術，又兼容有線通信應用，且有體積小、成本低、功耗低、安裝簡單的優點，能夠適應復雜的現場環境。上位機監控軟件界面友好，功能模塊化，易于操作。該系統在有短距離無線通信需求和燃氣監測和報警需求的應用領域有著十分獨特的優勢。
參考文獻
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[2] 瞿玉文,艾學忠.城市地下燃氣管道泄漏監測報警系統設計[J].吉林化工學院學報,2009，26(2):60-61.
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[4] 朱紅梅,惠曉威.基于物聯網的智能瓦斯監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2012(10):70-72.
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[7] 劉從寧, 施云波. 面向氯氣安全監測的無線傳感網絡系統[J].儀表技術與傳感器,2012(1):46-48.