燃气泄漏监测报警控制系统的设计与实现

傅仁轩，陈龙飞，王庆华

(1.广东工贸职业技术学院机电工程学院，广东 广州 510510；2.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310)

0 引言

可燃性气体作为燃料，除用于居民生活外，在工厂、公共建筑等领域的应用越来越广泛，在给生产生活带来便利的同时存在许多安全隐患[1]。2021年我国连续发生多起燃气泄漏事故，给人民生命财产造成危害，因此可燃气体泄漏检测和报警控制是一项非常必要的工作[2]。市场上已有多个厂家生产的可燃气体报警器产品，有独立型和有线组网方式型两种[3]。独立型一旦有险情发生，现场报警器发出声光报警。但如果现场无人，则无法关闭气阀等现场进行处理，易造成严重后果。有线型的报警系统，报警器的输出用导线连接机械手阀门，当有报警发生时，报警器的输出使机械手阀门关闭，切断气源，不会使泄漏气体继续扩散，但在用气现场布线难，线路易老化、易损坏[4]。本文基于无线通信技术设计了一种适用于居民小区、工业园区等环境下的燃气泄漏报警控制系统，能实现现场和远程双重报警并及时开启联动控制装置排除险情，可在很大程度上降低灾情的发生，保护人民生命财产的安全。

1 系统总体方案设计

燃气泄漏报警控制系统主要由可燃气体监测节点设备、无线网关、监控中心等组成。系统网络架构如图1所示。其中可燃气体监测节点设备安装在用气设备附近，无线网关选择安装在节点设备集中、地势高的地方，实现区域信号覆盖，方便与节点设备进行通信。

图1 可燃气体监测报警控制系统架构图

系统由三级网络构成，无线网关与监控中心平台通过4G全网通组成一级网络，实现可燃气体监测节点设备与监控中心平台[5]之间的双向数据通信，完成数据的上下贯通；可燃气体监测节点设备与网关通过LoRa无线技术组成二级网络；监测节点设备的报警器与联动装置通过蓝牙无线技术组成三级网络；监控中心既能通过操作员站、移动智能终端对各监测节点设备下发命令进行控制，又能接收各监测节点的实时信息，对这些信息进行分析、处理、存储，形成历史数据及各种报表，实现泄漏气体全过程可追溯。有报警时产生声光报警，并将信息发送到相关人员手机上[6]，以便及时处理险情，确保用气安全可控。

2 系统硬件设计

2.1 网关设计

网关是数据上下行传输的中心节点[7]，网关下行通过LoRa网络与可燃气体监测节点设备通信，上行通过4G全网通或以太网与监控中心平台通信。网关硬件系统主要由MCU、LoRa收发模块，4G全网通由收发模块、电源等组成，电路设计如图2所示。MCU选择采用32bit ARM Cortex-M4F内核的N32G457RC，其最高工作主频144 MHz。设计3.3 V的工作电源。

图2 网关电路图

以太网接口设计，N32G457RC的10/100 Mbps以太网MAC(媒体访问控制器)模块，支持MII(媒体独立

接口)与RMII(简化的媒体独立接口)两种与物理层(PHY)通讯，实现以太网数据帧的发送与接收。

4G通信接口设计，4G全网通模块选用移远通信的LTE Cat 4无线通信模块EC200T-CN，通过MCU的UART接口与该模块的UART接口连接实现数据通信功能。设计电压3.8 V、电流不小于2 A的电源，用于给模块的基带供电和射频供电，同时为外部GPIO提供1.8 V的电平。通过MCU的I/O控制该模块NRST为低电平时模块复位。MCU通过采集该模块的NET_STAUS、NET_MODE输出电平判断模块的工作状态，根据其工作状态决定发送数据和接收数据。由于模块的串口电平为1.8 V，需要采用TSX0108EPWR电平转换芯片与3.3 V的MCU主机系统UART连接。

LoRa通信接口设计。LoRa模块选用LSD4WN-2R717M90，通过MCU的UART接口与该模块的UART接口连接实现数据通信功能。设计电压3.3 V的电源，通过MCU的I/O控制LoRa工作状态，如当MCU使NRST为低电平时模块复位；当MCU使MODE为高电平时模块工作于命令模式，在命令模式下，MCU通过串口发送 AT指令来访问模块，配置及查询模块工作参数；当MCU使MODE为低电平时模块工作于透传模式，在透传模式下，模块直接转发用户数据；当MCU使WAKE为低电平时进入睡眠模式；当MCU使WAKE为高电平时唤醒睡眠，进入正常工作模式；同时MCU通过采集LoRa模块的BUSY、SATA输出电平判断模块的工作状态，根据其工作状态决定发送数据和接收数据。LoRa模块采用串行接口与用户设备进行数据、指令交互，实现快速LoRaWAN网络接入和无线数据通信等功能。

2.2 可燃气体监测节点设计

可燃气体监测节点包括报警控制器、机械手阀门控制器、排气扇控制器等[8]。监测节点结构图如图3所示。网关与报警控制器通过LoRa技术组成无线网络，可实现多个报警器同时与网关通信。当气体泄漏浓度大于阈值时，通过主动上报的方式将气体泄漏浓度数据上传至网关，网关将接收的各报警控制器数据打包上传给监控中心平台。报警控制器与机械手阀门控制器、排气扇控制器通过蓝牙技术组成无线网络，报警控制器是这个无线网络中的主设备，机械手阀门控制器、排气扇控制器是网络中的从设备，它们之间通过无线蓝牙进行数据通信。

图3 可燃气体监测节点结构图

2.2.1 报警控制器硬件设计

报警控制器是节点设备的核心设备，包括气体传感器、蓝牙模块、LoRa模块、MCU控制器，报警控制器的电路图如图4所示。MCU采用32-bit ARM Cortex-M0内核的N32G02Gx,工作频率80 MHz。

传感器的接入电路，选择TTL输出的燃气传感器，煤气的主要成分是一氧化碳，天然气的主要成分甲烷CH4，探测器主要检测气体浓度，监测范围为0～100%LEL。传感器输出值较小，必须经过放大器放大后才能被A/D转换电路接收，放大器选择最低功耗零漂移运算放大器LTC2063。传感器与放大器的连接电路如图5所示[9-10]，将较小的传感器输出电压经过运算放大器放大到需要的电压值Vout，输出电压Vout接到图4中MCU的AVDD1。

图4 报警器的电路

图5 传感器与放大器的连接电路

LoRa通信接口设计。LoRa模块选用LSD4RF-2R714N10，通过MCU的SPI接口与该模块的SPI接口连接实现数据通信功能，通过MCU的GPIO控制LoRa的接收与发送，当MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=1时发送数据，当MCU使SW-CTL1=1，SWCTL2=0时接收数据，当MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=0时待机，当MCU使NREST为低电平时模块复位，同时MCU通过采集LoRa模块的BUSY输出电平判断模块的工作状态。LoRa通信模块与N32G020G5之间的通信电路与控制电路连接如图4所示。

蓝牙通信接口设计。蓝牙通信选择2.4 GHz片载系统(SoC)CC2541芯片，报警控制器中的蓝牙设计为主机。MCU通过I2C通信接口控制蓝牙通信模块联动现场安装的机械手阀门和排气扇，关断输气管道阀门、打开排气扇，蓝牙通信CC2541与N32G020G5之间的电路连接如图4所示。

报警控制器的功能设计。检测室内的燃气泄漏浓度，当浓度达到设定的报警值时，报警控制器完成三项任务：MCU通过LoRa通信模块向监控中心发送报警信息；MCU通过MOS管AQ3400驱动报警灯闪烁、驱动蜂鸣器发出声音，现场产生声光报警；MCU通过蓝牙通信模块启动现场联动装置关断阀门、打开排气扇。

2.2.2 联动控制设计

联动控制设备包括阀门控制器[11]和排气扇控制器[12]。阀门控制器由机械手和控制器组成，控制器包括CPU、蓝牙、开阀控制、关阀控制、阀状态等。排气扇控制器由排气扇和控制器组成，控制器包括CPU、蓝牙、开排气扇控制、关排气扇控制、排气扇状态等。

控制器选择CC2541片载系统，蓝牙通信设计为从机，与报警控制器的主机配对通信。为了控制阀门的开启与关闭，设计了开阀控制和关阀控制，为了判断输出控制的结果是否正确，设计了输入接口，将阀门的状态(开或关)返回给CPU，若CPU检测到输入状态与输出控制值不符，将重新发送输出控制指令，直到检测到输出控制结果正确。

3 系统软件设计

系统软件包括监测节点软件、网关软件和监测中心软件，系统软件流程如图6所示。监测节点软件有报警控制器软件、机械手阀门控制器软件、排气扇控制器软件。报警控制器是蓝牙通信的主设备，机械手阀门控制器和排气扇控制器是蓝牙通信的从设备，报警控制器有正常状态和报警状态，实时采集燃气浓度值，并与报警值进行比较，判断是否现场报警和启动联动设备，并把采集到的数据通过网关传送给监控中心。

图6 系统软件流程图

监控中心的软件主要功能是对网关转发的信息进行解析、储存和显示。当某监测节点燃气浓度超标，监控中心声光报警，在电子地图上定位报警节点，显示该节点的位置信息，并用短信、微信通知联系人及运维工程师及时排除险情。

4 系统测试

对报警控制系统进行实验测试，测试平台如图1所示，测试设备包括监控中心计算机1台，网关1台，2个可燃气体监测节点(每个节点包括报警器控制器、阀门控制器、排气扇控制器)，通电后各个监测节点开始工作，经过初始化后，LoRa组网成功，蓝牙组网成功。

将可燃气体传感器放置在气源处，逐渐打开气源开关，从监控中心计算机显示界面观察到气体浓度值在变化，证明监控节点在网路中运行正常。当燃气浓度值超过设定的阈值时，监控节点向监控中心发送报警信息，同时报警器现场发出声光报警，启动阀门控制器和排气扇控制器联动。根据长时间多次测试的数据，证明该系统对可燃气体浓度的测量精确度较高，系统运行稳定可靠。主要功能测试如表1所示。

表1 监控节点功能测试表

5 结语

本文设计以N32G系列微处理器为主控芯片，结合多种无线通信组网技术，设计研发了可燃气体泄漏监测节点、网关的软硬件，监测节点的报警控制器及联动装置采用CC2541通信、网关与监测节点之间采用LoRa通信，网关与数据中心之间采用4G及以太网通信，实现了由三级通信网络组成的可燃气体泄漏报警控制系统。该系统具有通信传输能力强、系统组网数量多的优点，既能实时监测各节点可燃气体浓度，又能实现本地/远程双重报警，提高了预防燃气泄漏安全等级。该系统不仅可以用在居民小区的可燃气体泄漏报警，也可以应用到工业园区等其他环境，为燃气泄漏报警应用提供了解决方案。