基于OneNET和ZigBee的多節點燃氣監測

時元振

（山東工程職業技術大學，山東 濟南 250200）

0 引言

目前我國使用天然氣及液化氣的人口數量眾多，然而家用燃氣泄漏問題常常會帶來巨大風險。據2021年第七次全國人口普查所公開的數據顯示，截至2020年底，我國60 歲及以上的人口已經達到2.64 億，占比全國總人口的18.7%，許多社區的空巢老人的占比也在不斷增加。由于老年人生理功能逐漸衰退、記憶力逐漸減弱，以及部分社區室內燃氣管道老化等原因，使得室內燃氣泄漏成為發生燃氣中毒和火災事故的主要原因。隨著物聯網智能家居產品的不斷發展，架設燃氣的智慧監測系統成為保證燃氣使用安全的重要手段。

ZigBee 技術具有多節點自組網的優勢，通常傳感信息采集是由終端節點完成的[1-2]。在室內或者社區統一加裝基于ZigBee 技術的燃氣報警系統，可以實時并相對準確地測量室內環境中的可燃性氣體濃度；根據氣體濃度采取遠程保護措施，例如打開排風和噴淋等系統，可以有效地避免液化氣中毒、爆炸等安全問題，從而加強對社區居民的保護。為解決上述燃氣使用過程中的安全問題，本文設計一種基于ZigBee技術及OneNET 云平臺的多節點實時燃氣監測系統。

1 系統框架設計

本系統采用STM32F103ZET6 芯片作為系統的主控制器，MQ2 氣體傳感器采集可燃氣體的濃度信息，然后經過CC2530 進行模數轉換，終端節點進行初步處理后通過ZigBee 組網發送給協調器，協調器可以將多節點的數據進行匯集，統一發送給STM32F103ZET6 主控芯片。STM32 系列芯片是常用于智能家居網關的芯片，因此采用STM32 系列芯片可以兼容常見的其他智能家居系統[3-5]。在主控中添加了室內的溫濕度采集模塊DHT11，同時繼電器模塊連接到主控芯片，最后通過WiFi 模塊將信息上傳到OneNET 云端進行實時云端監控，用戶或集中管理端可以通過云端界面遠程調控頁面對其進行處理，如果燃氣濃度超標可以通過繼電器開關控制排風系統或噴淋系統，控制界面可以實現實時數據采集和遠程控制開關繼電器，從而實時進行多節點燃氣監測。系統的結構組成如圖1所示。

圖1 智慧燃氣監測系統結構示意圖

為了實現多節點的燃氣信息監測，系統中采用了ZigBee技術。ZigBee 技術具有多節點自組網的優勢，多個終端監測信息后可以匯聚到路由器或者協調器進行匯總。通常情況下ZigBee 的通信距離可以達到百米左右，而且可以通過增加通信功率的方式繼續增大其通信距離，因而該系統可以面向居民比較密集的社區，對社區中不同用戶室內的燃氣濃度信息進行統一采集與管理，從而提高社區整體的燃氣使用安全性。

2 硬件設計與驗證

2.1 硬件設計

CC2530 單片機是德州儀器（TI）公司生產的8 位主控芯片，屬于增強型8051 系列CPU，支持Z-Stack 協議棧，可以實現自組網功能，本文用以實現ZigBee 的多節點無線通信。ZigBee 組網采集系統由MQ2 燃氣監測模塊、CC2530終端節點以及協調器共同構成。MQ2 氣體傳感器通常可以用于液化氣、甲烷及一氧化碳等氣體監測，該模塊可以將濃度數值轉化為對應的模擬電壓值，然后經過CC2530 進行模數轉換。終端節點主要負責采集濃度信息，本系統采用多節點測量的方式，多個終端節點與協調器之間采用點播發送的信息傳送模式，多節點點播組網發送燃氣濃度信息的函數定義如下：

ZigBee 協調器負責匯聚各個終端的信息，同時通過串口將數據發送到STM32 主控網關；此外為了組合智能家居的發展，主控融合了常用的溫濕度采集DHT11 模塊，主控將多節點的燃氣濃度與溫濕度等信息組合后發布到云端。本系統的網關由MCU、無線通信模塊和供電模塊組成[6-7]，其中MCU 選用型號為意法半導體的STM32F103ZET6 芯片；網關部分還可以兼容其他的智能家居常用的傳感器，例如本設計中所包含的DHT11 溫濕度傳感模塊，用于實時測量室內的溫濕度；無線通信模塊選擇ESP8266 模塊，STM32 與ESP8266 模塊采用串口方式通信，波特率設置為115 200；系統測試采用USB 供電。圖2 為測試選用的ZigBee 和STM32 硬件開發板實物。

圖2 硬件實物

2.2 OneNET 云端監測界面

OneNET 云平臺[8-11]是中國移動基于物聯網技術打造的開放平臺，可以適配多種網絡環境和協議類型。本系統的觀測界面采用OneNET 移動云端對多個節點的濃度信息進行實時觀測。當硬件驅動程序燒錄完成且硬件設備組網成功之后，多個節點的燃氣濃度參數和室內溫濕度數據等信息通過STM32 網關并經由ESP8266 聯網模塊上傳發送至移動OneNET 云服務器，云平臺與設備端網關的ESP8266 模塊間通過MQTT 協議進行通信。OneNET 云端界面具有快速編輯的優勢，其觀測界面較為精簡、易于控制且觀測便捷。網關系統以發布和訂閱MQTT 報文的方式與移動OneNET 云服務器進行數據通信；本系統在觀測界面設置兩組燃氣濃度觀測數值，同時也包括室內溫濕度的實時信息；在界面中還可以通過點擊開關按鈕，實時控制與網關相連的繼電器等外圍設備，實現相關電器的管理與控制，例如通過在界面中設置的繼電器開關按鈕可以方便快捷地控制室內的排風和噴淋等安全輔助設備，以便于在燃氣泄漏事故發生時可以快速地進行反應。

本案例以雙節點終端為例，圖3 為某時刻兩個節點的燃氣濃度和溫濕度信息在OneNET 端的數據顯示界面。如果需要繼續添加終端節點，可以在ZigBee 組網系統中繼續添加采集終端，在點播組網程序中更改不同終端節點的ID 即可完成組網。在增強天線的作用下，ZigBee 的組網距離可以達到上百米，因此系統可以面向人口密度較高的社區，進行集體化的安全檢測，確保整個社區內燃氣用戶的安全。

圖3 OneNET 云端的燃氣監測界面

3 結語

本文設計了基于ZigBee 技術的多節點室內燃氣泄漏監測系統，系統的優勢為可進行多節點的燃氣實時監測，并且易于兼容其他的智慧家居系統。系統構成主要為STM32F103ZET6主控模塊、ESP8266、ZigBee 終端及協調器，監測及控制界面部分由移動OneNET 云端界面實現。系統將MQ2 測得的燃氣濃度信息經終端節點進行模數轉換，并通過WiFi 上傳至云平臺進行數據實時顯示，在云端界面可以通過點擊開關按鈕控制繼電器打開相關的安全設備。本系統的總體成本較低，可應用于密集型社區中眾多燃氣用戶的安全防護。