智能燃气表与可燃气体探测器联动控制方案

俞建明， 厉晶莹， 沈晓东， 石爱国， 宋莎莎，程 颢， 唐玲玲， 王颖嘉

(1. 杭州天然气有限公司， 浙江 杭州 310017； 2.杭州先锋电子技术股份有限公司，浙江 杭州 310052)

1 概述

燃气使用安全性对用户至关重要，因居民厨房燃气泄漏引发的火灾爆炸事故时有发生，给人民生命财产造成了重大损失[1-2]。2021年我国天然气事故有309起，对61起天然气用户事故分析发现，天然气泄漏事故占比14.8%。市场上大多可燃气体探测器与智能燃气表无联动作用，仅有独立报警功能，发生燃气泄漏时，不能及时通知智能燃气表关闭内置阀门。若可燃气体探测器与智能燃气表间采用有线连接，智能燃气表的安装位置已固定，会涉及现场布线问题，尤其对已装修用户，安装方式受限，改造成本大。因此，本文提出智能燃气表与可燃气体探测器的联动控制方案。

2 联动控制方案

智能燃气表与可燃气体探测器之间通过蓝牙连接，智能燃气表内置低功耗蓝牙从机模块，可燃气体探测器内置低功耗蓝牙主机模块，此方案通信功耗小、成本低、通信范围广。当可燃气体探测器探测到工作环境中的气体浓度超标时，向智能燃气表发送报警信息，智能燃气表的阀门模块动作，控制内置阀门关闭，切断燃气，防止事故发生。智能燃气表内部设置NB-IoT通信模块，与燃气公司服务器连接，将异常信息上传到燃气公司服务器，提示管理人员查看与管理维修。

2.1 智能燃气表

智能燃气表是采用NB-IoT通信技术进行数据传输和交换的膜式燃气表，主要由基表、控制器、附加装置组成。控制器是智能燃气表的电子控制部分，由微控制器、液晶显示模块、电源管理模块、蜂鸣器报警模块、存储模块、采样计量模块、防拆保护模块、阀门控制模块、NB-IoT通信模块和蓝牙从机模块组成[3]。因此，该智能燃气表具有燃气计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、高可靠性防拆保护、信息远程交互和安全管理等功能。此外，该智能燃气表控制器中具有蓝牙低功耗协议，可以通过蓝牙与其他设备(手机、带蓝牙的可燃气体探测器等)联动，进行数据传输。

2.2 可燃气体探测器

可燃气体探测器由外壳、电源线和控制器组成。控制器是可燃气体探测器的电子控制部分，主要包括微控制器、按键模块、传感器模块、指示灯模块、液晶显示模块、蓝牙主机模块、蜂鸣器报警模块、存储模块、电源管理模块[3]。

可燃气体探测器可采用36 V及以下直流电或220 V交流电供电。若采用36 V及以下直流电供电，由可燃气体探测器的控制器供电，且电源管理模块应有极性反接的保护措施。传感器模块探测工作环境中的可燃气体，将探测信号用模拟量或数字量传递给微控制器。当可燃气体浓度超过微控制器设定值时，指示灯模块指示红色报警状态，蜂鸣器报警模块进行鸣叫，只有故障解除或通过按键模块按键消声才能关闭鸣叫。液晶显示模块实时显示工作环境中被测气体的浓度，也可提示可燃气体探测器异常等状态。控制器中设有蓝牙低功耗协议，具有蓝牙通信功能，蓝牙主机模块与智能燃气表的蓝牙从机模块建立连接，保证智能燃气表与可燃气体探测器通过蓝牙进行信息交互，交互信息存储在可燃气体探测器的存储模块中。

气体传感器影响可燃气体探测器性能。常见的气体传感器按检测原理分为半导体型、接触燃烧型、电化学型和红外型，其中半导体型传感器具有寿命长、稳定性好、零点漂移小、环境影响小、价格低廉等优点，被广泛应用于可燃气体探测器中[4]。传感器输出错误会导致可燃气体探测器误报[5]，误报原因主要是烹饪、装修等产生的干扰气体和工作环境变化。比如，厨房烹饪用到料酒，料酒内含体积分数10%～15%的酒精，可能导致误报[6]；厨房使用的杀虫剂中含有丙烷或异丁烷，也可能产生误报。考虑到家用可燃气体探测器定期维护、定期标定工作量大，宜采用抗干扰性好的传感器，比如半导体型传感器，且传感器应符合GB/T 34004—2017《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》。

2.3 蓝牙模块工作流程

智能燃气表和可燃气体探测器之间通过蓝牙通信，蓝牙传输信道为2.4 GHz，蓝牙协议版本为4.2。当智能燃气表、可燃气体探测器、蓝牙主机模块、蓝牙从机模块均处于正常工作状态时，借助蓝牙配对APP(以下简称APP)将蓝牙主机模块和蓝牙从机模块绑定。APP绑定流程为：APP获取智能燃气表的蓝牙MAC地址，APP发送获取的智能燃气表蓝牙MAC地址，设置到可燃气体探测器，可燃气体探测器根据配置的蓝牙MAC地址发起连接。

智能燃气表和可燃气体探测器连接流程：智能燃气表的蓝牙从机模块周期性向可燃气体探测器的蓝牙主机模块发送连接指令。可燃气体探测器的蓝牙主机模块接收到蓝牙从机模块发送的蓝牙连接指令后，将指令传输给控制器进行数据解析，数据解析成功后，蓝牙主机模块向蓝牙从机模块发送连接指令应答正确，蓝牙从机模块配合完成连接，智能燃气表显示成功连接。蓝牙主、从机模块完成连接后，要进行数据通信还需要进行验证。可燃气体探测器和智能燃气表的通信采用实时连接方式，智能燃气表定期同步可燃气体探测器的状态、浓度、寿命等信息(同步间隔10 min)，同时监测可燃气体探测器的在线状态。当工作环境中燃气浓度大于设定值时，可燃气体探测器会立即发出报警指示(蜂鸣器鸣叫、指示灯指示)，通过可燃气体探测器的蓝牙主机模块将报警信号发送给智能燃气表的蓝牙从机模块，智能燃气表接收到报警信息后立即关闭阀门，并显示相关错误码。为保证数据传输的可靠性，数据传输中使用AES128加密算法，补齐对齐位数为128位，即16字节，加密内容为数据域内容，补齐算法使用PKCS7Padding算法。

3 试挂分析

杭州天然气有限公司对采用联动报警方案的18套智能燃气表和可燃气体探测器进行试挂。

3.1 智能燃气表和可燃气体探测器的测试

首先对智能燃气表和可燃气体探测器进行实验室测试。智能燃气表无报警信息、无故障、通信正常且在线率均为100%，满足燃气公司计量需求和燃气用户使用要求。可燃气体探测器按键消声、天然气报警功能正常，支持APP配置MAC地址。可燃气体探测器的抗干扰气体性能应该满足GB/T 34004—2017第5.1.3.6款的要求，在体积分数为0.6%的乙醇和体积分数为0.1%的乙酸干扰下，3 min内不应发出报警信号。

对体积分数为0.6%的乙醇干扰进行测试，采用2种测试方案。方案1是将乙醇体积分数大于10%的500 mL料酒加热后，查看可燃气体探测器是否会报警；方案2是将乙醇体积分数为42%的500 mL白酒加热后，查看可燃气体探测器是否会报警。2种测试方案下，可燃气体探测器应均符合要求，不报警。对体积分数为0.1%的乙酸干扰进行测试：将总酸质量浓度大于6.5 g/mL的500 mL陈醋加热后，查看可燃气体探测器是否会报警。可燃气体探测器也应符合要求，不报警。

3.2 可燃气体探测器的安装位置

应安装在使用燃气的房间内，且位于燃气易泄漏部位附近。

检测天然气(比空气轻)时，可燃气体探测器应安装在距屋顶约30 cm，且距燃具等易泄漏部位水平距离0.5～6.0 m 范围内。

检测液化石油气(比空气重)时，可燃气体探测器应安装在距地面30 cm 以内，且距燃具等易泄漏部位水平距离0.5～4.0 m 范围内。

可燃气体探测器在卧室中使用时，应安装在距离地面100～120 cm 以内。

3.3 试挂分析

试挂从2021年12月至2022年5月，共计180 d。对日采集数据进行统计，抄表成功率为100%。试挂期间，可燃气体探测器显示无异常状态，未报警。智能燃气表内部设置NB-IoT通信模块，具有覆盖良好、低功耗、速率高、稳定性高等优点。智能燃气表的待机时间可达10 a。智能燃气表与可燃气体探测器之间的蓝牙连接，是否会对智能燃气表功耗产生影响，是用户关心的问题。因此抽查10台智能燃气表进行电压测试，结果见表1。

表1 10台智能燃气表电压测试结果

由表1可知，智能燃气表试挂180 d后，电池电量有所减少，但电量剩余比例均大于90%，因此得出结论：智能燃气表与可燃气体探测器之间的蓝牙连接对智能燃气表功耗影响较小。