室內天燃氣泄漏無線報警系統設計

趙永花，趙浪濤

(1.蘭州工業學院 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業學院 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050)

室內天燃氣泄漏無線報警系統設計

趙永花1，趙浪濤2

(1.蘭州工業學院 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業學院 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050)

燃氣作為清潔能源廣泛應用于家庭、工業和餐飲等眾多領域。為確保在建筑室內安全使用天燃氣，針對室內天然氣濃度進行檢測，同時實現無線報警。系統選用可燃氣體傳感器和溫度傳感器，應用AT89C51微處理器和全球移動通信系統(GSM)傳輸模塊，完成燃氣泄漏檢測和無線報警功能的軟硬件設計，對建筑室內環境燃氣濃度和溫度實時檢測、顯示，當超過限幅值時報警。測試結果表明，系統天然氣濃度和室內溫度檢測精度高，可實現數據無線傳輸，設計結構簡單、成本低、操作方便，極大提高了天燃氣使用的安全性。

AT89C51；天燃氣泄漏；GSM模塊；無線報警

0 引言

隨著人們生活水平的提高，燃氣清潔能源廣泛應用在各個領域，但天燃氣在給人們提供方便的同時也帶來了不必要的麻煩，因客觀使用不規范或者馬虎大意，常常發生燃氣泄漏所導致的安全事故，給個人和國家帶來不必要的無辜損失，為居民更好地安心、放心使用燃氣，有必要對建筑室內天燃氣濃度進行實時監測，當天燃氣濃度超過上限值時提供現場聲光報警的同時，同時進行無線傳輸及早告知親人，做好防范措施。

常規的工業燃氣泄漏檢測設備基本采用RS-485串行通信或通用分組無線服務技術(GPRS)，雖然可實現大范圍的遠程檢測，檢測精度高，可靠性高，但是在監控區域小而分散的用戶，實用性不是很高，另外安裝、調試和運行成本較高，無法滿足用戶的需要。鑒于以上原因，本文設計應用AT89C51單片機，通過溫度和燃氣濃度傳感器實時、準確地檢測出燃氣的泄漏情況[1]，當出現異常，進行報警。隨著物聯網技術的不斷發展，后期通過手機開源軟件實現無線控制，逐步推廣到工業各個燃氣和濃度檢測場所，為安全使用燃氣提供有力的保障。該系統結構簡單、技術成熟，相對來說體積小、成本低、操作簡單，能夠滿足普通用戶使用需求，具有很大的市場應用價值。

1 總體方案設計

燃氣泄漏無線報警系統[2]設計如圖1所示。系統包括AT89C51微處理器組成的最小系統、外圍搭建燃氣濃度檢測和溫度檢測傳感器、時鐘模塊、GSM模塊、常規輸入輸出設備。

圖1 燃氣泄漏無線報警系統

系統的基本工作原理：首先根據建筑室內現場環境控制要求，通過鍵盤設定氣體濃度和溫度容許上限值，然后實時采集現場燃氣濃度或溫度值，通過AT89C51單片機將實測數值和給定值進行比較，進行數據運算，判斷當前天燃氣的濃度是否超過根據使用環境設定的給定值，一旦超界，通過蜂鳴器和發光二極管(LED)發出聲光報警，為了及時告知使用人員情況，通過GSM模塊發送報警信號，以便及時進行處理。同時，采用LCD顯示器將現場測量濃度和溫度實時進行顯示，以便用戶直觀地觀察變化動向。

2 主要單元電路設計

2.1 單片機的選取

隨著電子技術和計算機技術的快速發展，單片機[3]的類型相當多，考慮系統資源需求，選用美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能8位AT89C51，相對來說，該芯片內部集成8 K可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機數據存儲器，與標準MCS-51指令系統及產品引腳兼容，考慮設計的經濟性，大大減少存儲器擴展費用。

2.2 天燃氣濃度檢測電路

天燃氣濃度檢測[4]利用現場模塊LPM2610-C13來實現，模塊內部結構和引腳功能如圖2所示。

模塊工作電壓5 V，根據燃氣濃度輸出(VOUT)0～5 V的模擬電壓，然后通過A/D轉換輸入到單片機，模塊自帶溫度補償電路，功耗低、尺寸小，氣體濃度檢測范圍為3%～30%LEL，能夠達到檢測要求。

圖2 LMP2610-C13模塊結構與管腳

2.3 溫度檢測電路

為考慮系統設計的全面性，除了檢測室內的天燃氣濃度，還要對室內溫度進行測量[5]，為簡化系統結構設計，溫度傳感器選用由美國DALLAS半導體公司生產的單總線數字式DS18B20[5]，該模塊溫度檢測范圍廣，測量范圍為-55～+125 ℃，分辨率根據控制要求在9～12位之間自行設置，轉換時間為93.75～750 ms，控制精度為0.5～0.062 5 ℃；現場溫度的測量數據傳輸采用單線總線[3]數字方式，控制靈活、方便，抗干擾能力強，供電電壓可在 3～5.5 V波動。DS18B20總共3個引腳，分別為電源地GND、電源端VDD和數字信號輸入/輸出端DQ。

DS18B20與單片機之間采用單線總線數據通信模式，DS1820的編程和數據讀寫嚴格按照時序操作，一定的操作必須配有相應的讀寫時序；同時，DS1820的單總線上的帶載能力也是有限的，一條總線上所接的DS1820最好不要超過8個，當超過時須考慮總線驅動問題[6]；為提高系統的抗干擾能力，測溫數據傳輸線最好采用帶屏蔽的4芯雙絞線，其中一對線用于數據信號線和電源底線，剩下的另外一對用于接芯片供電的電源和地線，而屏蔽層一般采用源端單點接法，當采用外部供電時，芯片的GND端絕對不能懸空，否則讀取的溫度值始終為85 ℃。

2.4 顯示電路設計

為更好地對現場溫度和燃氣濃度進行展現，顯示電路[7]采用標準的YM12864RLCD顯示器，該液晶顯示器采用標準工作電源3.3～+5 V(內置升壓電路，無需負壓)，實際使用能耗低、體積小，具有標準的硬件電路連接接口[8]，程序調試簡便易行，近年來廣泛應用在工業和現場實時控制的各個場所和小型系統的電子儀器設備中。同時，該顯示器內部資源豐富，自帶漢子字庫，可實現中文點陣顯示。該顯示器可以實現各種圖形、曲線顯示，天燃氣濃度和現場溫度圖像顯示[8]更加形象、直觀。

2.5 無線報警電路

隨著通信技術的飛速發展，手機已成為我們獲取信息必不可少的途徑，為設計中的無線報警系統[9]提供了有力的技術基礎。我們深信，隨著手機的廣泛使用，以及物聯網技術的飛速發展，現階段利用GSM[10]模塊構建信息網絡，實時傳輸室內現場的天燃氣濃度和溫度，通過現場微處理器進行數據處理和運算，為保證系統可靠運行，當存在控制參數超過原來預期的設定值時，可將報警信息編輯成短信信息，然后通過GSM模塊發送出去，及時告知用戶或者監控人員，使得警情傳遞更加及時可靠，報警系統更加方便、實用。設計采用GSM模塊實現遠程短信無線溫度[11]和燃氣濃度報警，短信通信不與語音通信沖突，即使手機通話也可接收短信，方便、可靠，GSM短信息每條最多可傳輸140 B數據，對于報警信號而言已能滿足要求。

GSM Modem模塊采用標準RS232接口，EIA電平，但單片機采用TTL電平,為實現電平兼容，采用MAX232來實現EIA和TTL電平之間的轉換。AT89C51單片機與GSM模塊硬件連接[12]如圖3所示。

圖3 單片機與GSM模塊的接口連接

GSM模塊編程采用自帶的AT命令[13]實現，該規則是要求每條命令必須以AT開頭。AT指令集的功能制定和提供了用戶編程及操作控制GSM模塊的所有軟件協議規則,數據傳輸采用串行通信，利用串口實現自動收發AT指令，從而控制GSM模塊給用戶或者監控人員收發短信的目的。AT指令中實際收發短消息的模式主要有塊模式、文本模式和PDU模式3種[14]。根據實際應用情況，因模塊在使用時需要廠家提供技術支持,使用不方便；而文本模式只能發送和接收英文短消息，使用不太直觀，而PDU模式可收發中英文混合短消息，AT命令在各個模塊中都有詳細說明。本設計中，利用GSM模塊進行天燃氣濃度和室內溫度的數據超限報警信息傳輸，因此只簡單介紹以文本模式進行發送短消息的過程和基本指令：

AT+CSCA=″+86xxxxxxxxxxx″ xx為短信息中心號碼，設定監控人手機號碼

AT+CNMI=2,1,0,0,1 設置接收方式，制定為SIM卡接收

AT+CMGF=1 工作模式選擇，設置為Text模式

AT+CMGS=″xxxxxxxxxxx″ 發送一條短信息,xx為目標地址

TEP ERROR!< Z> 發送短消息內容，可根據實際編寫

AT命令編寫有嚴格的規則，每條AT指令必須以回車符作為結束;TEP ERROR!為發送的短消息內容,可根據見得參數自己設定;< Z>為CTRL+Z,其ASCII碼值為26,即可發送字符串(26),每天短息發完之后都必須以< Z>結束。通過簡單的編程可以知道，在T文本模式下短消息內容不用編程人員再進行編解碼,編程和操作簡單，通俗易懂。

2.6 其他外圍電路設計

為達到系統的基本功能，實現更好的人機信息交流，還需要設置相應外圍電路。為更好地實現人機信息交換，輸入通過鍵盤操作實現，考慮CPU利用率，鍵盤通過外部中斷方式實現，現場聲報警由蜂鳴器經三極管驅動報警，光報警采用最簡單的發光二極管來實現。

3 軟件設計

3.1 軟件環境應用

為方便設計，單片機程序開發語言選擇德國Keil Software公司開發的KeilC51編譯軟件[15]，采用ANSI標準，能夠提供了51系列單片機編程C語言環境,同時保留了匯編代碼高效、快速的特點，使用方便、靈活，通用性高。

3.2 系統軟件流程

該燃氣泄漏無線報警器的工作原理是根據建筑室內現場使用要求，通過鍵盤設置溫度和燃氣濃度報警的上限值，然后通過溫度和氣體濃度傳感器進行現場參數采集，對于氣體濃度傳感器輸出為模擬信號，通過A/D轉換成數字信號輸送的單片機，單片機通過運算，將設定和采集值比較，如有超限情況，在現場發出聲光報警的同時，將信息通過GSM模塊以短信的形式告知監控人員，實現高效、快速反應，減少事故發生。系統的主程序流程如圖4所示，溫度及氣體濃度采集通過定時器T0中斷來實現，程序流程圖如圖5所示。

圖4 天燃氣泄漏無線報警主程序流程

圖5 定時器T0中斷子程序

在實際軟件編程工作中，為避免偶然情況下引起的誤報，減少系統的出錯率，在軟件設計時通過編程實現抗干擾，即通過多次采集氣體濃度和溫度的值，再通過取算數或者加權平均值等軟件算法減小因單次采集引起的誤差，或者經過多次采集去掉最大和最小，其他取算數平均值，也可采用當檢測到指標超標時加一段延時，再重新進行檢測，減少誤判，其實提高系統報警準確性。

4 測試結果分析

為測試與驗證本系統性能，采用成都清翔電子科技有限公司的系統板構建最小系統，采用DS18B20溫度傳感器進行溫度模擬測量，GSM采用TC35i通信模塊實現短信收發構建系統[16]，應用通用的編程軟件Keil C51進行編程，然后進行了系統的可行性驗證，通過測試，當溫度在0～100 ℃變動時，能夠識別的最小分辨率是當DS18B20數字量變化1時，溫度的變化為理論值0.39°，系統實際運行時，溫度的最小分辨可達到0.5 ℃，所以實際運行實測溫度和實際溫度的誤差能夠精確到±1 ℃，溫度測量精度較高。同時對氣體濃度采用LMP2610-C13模塊實時進行檢測，通過測試，氣體濃度的檢測相對誤差為±1%。同時采用 GSM 網絡，對采集的溫度和天燃氣濃度短信傳輸到制定的手機終端；另外，通過鍵盤對不同環境下的溫度和氣體濃度上限值可以任意設定，控制靈活，當出現超限情況時，能夠準確及時地發出聲光報警，同時通過短信形式報警，并告知當前測量值，系統總體運行穩定、性能良好。本系統的設計只是針對室內天燃氣濃度和溫度進行的測試和監控，該系統的設計思路和方法經過適當改造，便可在多點檢測無線報警的智能家居[17]、城市污染檢測和工業車間現場參數監控等方面具有廣泛的應用和推廣價值。

5 結束語

本設計采用AT89C51微處理器，實現了建筑室內燃氣泄漏和溫度檢測無線報警功能，相對來說，系統比較簡單、成本低、系統運行可靠、穩定；另外增設通訊模塊和相關接口電路，只要做適當的軟件和硬件改進，可實現現場數據多點測量和檢測。該系統具有安裝調試方便、測量精度高、全數字化控制和抗干擾能力強等特點，在燃氣用戶和工業監控等應用領域具有廣闊的應用前景。

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ADesignofWirelessAlarmSystemforIndoorGasLeakage

ZHAO Yong-hua1，ZHAO Lang-tao2

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China; 2.CollegeofElectricalEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China)

Gas as a clean energy is widely used in household,industrial,food and many other areas.In order to ensure the safe use of indoor gas in the building,the indoor gas concentration is detected and wireless alarm is realized simultaneously.The system uses the combustible gas sensor and temperature sensor,and applies AT89C51 microprocessor and the global system for mobile communication (GSM) module to complete hardware and software design of gas leak detection and wireless alarm function,so the gas concentration and temperature in the indoor environment can be detected and displayed in real-time,and the alarm is given when the amplitude exceeds the limit.The testing results show that the system has high precision of concentration and indoor temperature detection of natural gas,and can realize the wireless data transmission.Moreover,it has advantages of simple structure,low cost and convenient operation,and can greatly improve the safety of the use of natural gas.

AT89C51;gas leakage;GSM Module;wireless alarm

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.13

趙永花，趙浪濤.室內天燃氣泄漏無線報警系統設計[J].無線電工程,2017,47(12):56-60.[ZHAO Yonghua，ZHAO Langtao.A Design of Wireless Alarm System for Indoor Gas Leakage[J].Radio Engineering,2017,47(12):56-60.]

TN919.72

A

1003-3106(2017)12-0056-05

2017-06-14

國家自然科學基金資助項目(61462057)。

趙永花女，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：建筑結構及智能家居。

趙浪濤男，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：控制理論與工程應用。