家用天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研制

覃 濤，趙富強(qiáng)，曹 順，王長坤

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

家用天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研制

覃 濤，趙富強(qiáng)，曹 順，王長坤

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

本家用天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于智能控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)天然氣濃度，并與智能控制器中的閾值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)天然氣濃度高于閾值時(shí)，及時(shí)輸出控制信號(hào)關(guān)閉天然氣閥門。同時(shí)，通過串口服務(wù)器將當(dāng)前天然氣濃度傳輸?shù)接脩艚K端的PC機(jī)上，用戶也可以直接通過PC機(jī)發(fā)送指令及時(shí)關(guān)閉閥門。本系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定性好、易操作等特點(diǎn)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；互聯(lián)網(wǎng)通信；濃度；天然氣閥門

在不斷創(chuàng)新的二十一世紀(jì)，隨著天然氣逐漸成為家用的主要能源，人們?cè)絹碓疥P(guān)心自己身處的環(huán)境是否安全、生活是否舒適。為了避免我們的生命財(cái)產(chǎn)受到損失，我們必須高度警惕那些隨時(shí)都有可能發(fā)生的危險(xiǎn)。但是，目前的天然氣報(bào)警系統(tǒng)只是單純的起到報(bào)警作用，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也不能主動(dòng)切斷氣源。因此，設(shè)計(jì)一種天然氣遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制的系統(tǒng)非常必要，它既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)天然氣濃度的檢測(cè)、報(bào)警及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸［6］通知用戶，又可以及時(shí)自動(dòng)關(guān)閉或遠(yuǎn)程關(guān)閉天然氣閥門，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，保障居民財(cái)產(chǎn)安全。

1　系統(tǒng)工作原理及硬件組成

1.1系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)利用了自動(dòng)控制的基本原理，并結(jié)合了微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［1］和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)［5］，實(shí)現(xiàn)了具有自動(dòng)控制［2］和通過網(wǎng)絡(luò)通信來遠(yuǎn)程控制天然氣閥的功能。本系統(tǒng)在工作時(shí)，傳感器模塊會(huì)檢測(cè)到空氣中的天然氣，傳感器模塊將天然氣濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，得到的電壓信號(hào)是一個(gè)模擬量。ADC0809芯片構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)的端口。單片機(jī)中的程序初始化后，開始掃描程序。程序掃描端口的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)天然氣的濃度超過程序中設(shè)定的天然氣濃度閾值，則單片機(jī)會(huì)輸出信號(hào)使報(bào)警電路工作，提醒用戶。同時(shí)，單片機(jī)通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理后，輸出信號(hào)，信號(hào)傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將電機(jī)驅(qū)動(dòng)，關(guān)閉天然氣的閥門。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The hardware structure diagram of a system

另外，顯示器顯示天然氣的濃度，用戶能及時(shí)地了解到濃度值。天然氣的濃度會(huì)通過串口通信［3］，將濃度發(fā)送給串口電路，串口電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換后，傳輸給串口服務(wù)器。串口服務(wù)器的TCP/IP協(xié)議會(huì)將數(shù)據(jù)打包，數(shù)據(jù)被打包后會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給電腦終端。電腦終端會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，并將數(shù)據(jù)以字符的形式顯示在人機(jī)交互界面上。用戶可以通過電腦終端查看天然氣的濃度，達(dá)到上發(fā)送關(guān)閉閥門的命令。TCP/IP協(xié)議［4］將命令打包后，由互聯(lián)網(wǎng)傳輸給串口服務(wù)器。串口服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，解包后的數(shù)據(jù)傳輸給串口下載電路，下載電路將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為TTL電平后傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并處理后，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)將閥門關(guān)閉。此過程現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的功能。

圖2　系統(tǒng)控制框圖Fig.2　Schematic diagram of control system

1.2系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)硬件主要包括：主控制器模塊、電動(dòng)閥模塊、串口服務(wù)器模塊、天然氣傳感器模塊組成。

1.2.1主控制器模塊

主控制模塊是由STC公司生產(chǎn)的STC89C52構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)與ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和接口電路工作和通信。

1.2.2電動(dòng)閥模塊

電動(dòng)閥模塊由步進(jìn)電機(jī)和天然氣的閥門組合而成，其功能是驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)后，帶動(dòng)閥門，使閥門關(guān)閉，降低空氣中天然氣的濃度。

1.2.3串口服務(wù)器模塊

串口服務(wù)器是為RS-232到TCP/IP之間提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的通訊接口轉(zhuǎn)換器。它可以在RS-232終端串口與TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸?shù)墓δ埽梢宰尨谠O(shè)備立即聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)所使用的串口服務(wù)器模塊是USRTCP232-401型號(hào)的串口服務(wù)器。

1.2.4天然氣傳感器模塊

天然氣傳感器具有檢測(cè)天然氣濃度的功能，能夠檢測(cè)到天然氣濃度信息，并能將檢測(cè)到的濃度信息，按一定比例轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)輸出。系統(tǒng)中的控制模塊接收到電壓信號(hào)后，會(huì)根據(jù)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換后顯示，并根據(jù)處理信號(hào)的結(jié)果去控制其他電路等。在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制中，天然氣傳感器起著重要作用。本系統(tǒng)所用的天然氣傳輸模塊是MQ-4。

2　系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)控制程序模型、主控制器程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)組成。

2.1系統(tǒng)控制程序模型

本系統(tǒng)基于自動(dòng)控制的基本原理，采用閉環(huán)反饋控制，保證系統(tǒng)在閉環(huán)作用下穩(wěn)定工作，具體過程如下：通過編程設(shè)定系統(tǒng)的閾值，系統(tǒng)不斷采集環(huán)境中天然氣的實(shí)際濃度，并在單片機(jī)內(nèi)和閾值比較，當(dāng)產(chǎn)生較大偏差時(shí)，系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制電動(dòng)閥，及時(shí)關(guān)閉天然氣設(shè)備的閥門，防止意外發(fā)生，同時(shí)，報(bào)警模塊工作，及時(shí)提醒用戶，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遠(yuǎn)程通知用戶。

2.2主控制器程序設(shè)計(jì)

主程序的功能：控制模數(shù)轉(zhuǎn)化過程的信號(hào)采集，保證在合適的時(shí)間周期內(nèi)采集傳感器模塊傳輸?shù)男盘?hào)，單片機(jī)通過IO端口接收模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)，經(jīng)過算法處理后，送到顯示器12864進(jìn)行顯示，并通過串口服務(wù)器將處理后的信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶終端，如果大于閾值，用戶會(huì)被提醒發(fā)送關(guān)閉閥門指令，如果在一定時(shí)間內(nèi)用戶沒有發(fā)送關(guān)閉閥門指令，單片機(jī)自動(dòng)發(fā)送信號(hào)關(guān)閉閥門，并同時(shí)打開排氣扇。

圖3　主控制器程序流程圖Fig.3　The main controller program flow chart

2.3系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)

基于 TCP/IP的 socket編程的服務(wù)器程序需要調(diào)用socket函數(shù)來創(chuàng)建套接字，調(diào)用bind函數(shù)實(shí)現(xiàn)將套接字綁定到本地地址和端口上，調(diào)用listen函數(shù)來設(shè)置監(jiān)聽模式，調(diào)用accept函數(shù)等待客戶請(qǐng)求的到來，調(diào)用send/recv函數(shù)和客戶端進(jìn)行通信。

3　系統(tǒng)調(diào)試

由于天然氣屬于易燃易爆物，在進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試時(shí)采用少量的天然氣，對(duì)準(zhǔn)天然氣傳感器的測(cè)試頭部分，進(jìn)行測(cè)試，總體不影響系統(tǒng)的整體測(cè)試，當(dāng)天然氣的濃度較低時(shí)，電動(dòng)閥不動(dòng)作，并可以通過上位機(jī)或者PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天然氣的濃度。若天然氣濃度逐漸增大，當(dāng)天然氣濃度大于系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥門，同時(shí)，報(bào)警信息會(huì)顯示在上位機(jī)或PC機(jī)上，通知用戶關(guān)閉閥門。經(jīng)多次測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間在500～800 ms之間，閥門動(dòng)作時(shí)間為2～3 s，完全達(dá)到預(yù)期的要求，另外，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率小于0.05%～0.1%，可靠性高。

圖4　系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)Fig.4　System of remote communication program design

4　結(jié)　論

本系統(tǒng)功能的成功實(shí)現(xiàn)，說明了系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸很穩(wěn)定，在控制終端上還可以嵌入各種功能的檢測(cè)裝置，如：煙霧傳感模塊、人體紅外傳感模塊等，另外，也可以增加控制模塊，如：窗戶窗簾控制模塊、紅外遙控模塊等，使系統(tǒng)的功能進(jìn)一步完善。

［1］潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［3］郭天祥.51單片機(jī)C語言教程--入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［4］孫鑫.VC++深入詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［5］伊拉希.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［6］謝昌榮.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

The development of domestic natural gas remote monitoring system

QIN Tao，ZHAO Fu-qiang，CA0 Shun，WANG Chang-kun
（College Of Information Engineering，Nan Chang Hang Kong University，Nan chang 330063，China）

The domestic natural gas remote monitoring system is based on intelligent control technology and Internet communication technology intelligent control system.The system through real-time monitoring of indoor gas concentration，and with intelligent controller threshold comparison.When the gas concentration above the threshold，the output control signal promptly closed gas valve.At the same time，through the serial port server will be transferred to the current gas concentration on the PC user terminal，the user can also send commands directly through the PC promptly close the valve.The system has a small size，good stability，easy operation.

remote monitoring；internet communications；concentration；the threshold gas valve

TN-9

A

1674－6236（2016）05-0187-03

2015-05-06稿件編號(hào)：201505046

覃 濤（1991—），男，湖北宜昌人。研究方向：自動(dòng)控制、嵌入式軟件編程與設(shè)計(jì)。