華潤(集團)有限公司 蔣 云

比亞迪股份有限公司 陳 敏

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及環(huán)境保護的迫切需要，天然氣作為一種清潔能源逐漸走入人們生活中。天然氣在帶來便利的同時，由于其本身具有一定的易燃易爆性，在一定條件下也會給人們的生命安全和財產(chǎn)帶來潛在的威脅。尤其是隨著城市燃氣管網(wǎng)的普及和延伸，這種潛在威脅發(fā)生的可能性逐漸增大。通過近幾年燃氣爆炸事故發(fā)生地點來看，戶內(nèi)一直是燃氣事故的頻發(fā)之地，且發(fā)生在室內(nèi)的燃氣事故均會帶來較為嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，對社會穩(wěn)定帶來明顯的負面影響。根據(jù)“燃氣大爆炸”微信公眾號對 2020年全國燃氣安全事故的統(tǒng)計分析，室內(nèi)燃氣安全事故的主要原因是膠管問題和忘關(guān)或未完全關(guān)閉閥門，兩者在室內(nèi)燃氣事故致因中占比高達46%。

近年來，隨著燃氣公司對不銹鋼金屬波紋管的應用普及，膠管問題導致燃氣泄漏爆炸的情形逐漸得到有效地控制，但對用戶忘關(guān)或未完全關(guān)閉閥門而導致事故的防范上，燃氣公司雖已強化用戶安全宣傳，但實際效果并不明顯。筆者通過用戶問卷調(diào)查和與安檢人員的交流，發(fā)現(xiàn)用戶不能正確關(guān)閉閥門的原因主要體現(xiàn)在三個方面，一是由于廚房的個性化裝修導致閥門高位設置，用戶個人習慣在表柜內(nèi)堆放雜物，容易導致用戶對表前閥或者灶前閥操作不便；二是用戶直接沒有關(guān)閉表前閥或者灶前閥的習慣或意識；三是老年用戶群體容易遺忘、或者無意識去關(guān)閉表前閥、灶前閥。

鑒于此，本文將從“本質(zhì)安全”角度出發(fā)，提出一套有效防范用戶忘關(guān)或未完全關(guān)閉閥門導致事故發(fā)生的廚房燃氣安全智控系統(tǒng)的技術(shù)方案。該技術(shù)方案可實現(xiàn)“關(guān)火即關(guān)閥”“遠程一鍵切斷”及“用氣安全實時監(jiān)控”等功能，將有效提高居民用戶燃氣系統(tǒng)的安全水平。

1 系統(tǒng)整體框架搭建與功能簡介

本廚房燃氣安全智控系統(tǒng)采用“1個主機+N個從機”搭建的多點監(jiān)控與控制系統(tǒng)模式，配合手機APP同步使用。其中主機是燃氣灶點火開關(guān)狀態(tài)檢測模塊、電磁切斷閥控制模塊、電磁閥工作狀態(tài)監(jiān)測模塊、無線通信模塊等功能模塊的集成控制器，從機主要是電磁切斷閥、點火開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測器等。系統(tǒng)以STC8F2K64S2為主控，主機與從機之間采用NRF2401L單片射頻收發(fā)芯片進行收發(fā)通信，這樣既可以有效避免有線連接后期因線路破損老化導致的系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性降低問題，同時也提高了系統(tǒng)的美觀性。該射頻無線網(wǎng)絡設置專有網(wǎng)絡通信協(xié)議，僅限系統(tǒng)所涉及的電氣元件接入。具體系統(tǒng)設置框架如圖1所示。

圖1 廚房燃氣安全智控系統(tǒng)框架

1.1 “關(guān)火即關(guān)閥”功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)“關(guān)火即關(guān)閥”功能的原理，如圖 2所示。當用戶烹飪時，打開燃氣灶點火開關(guān)，點火開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測器向控制器發(fā)送點火開關(guān)打開信號指令，控制器接收到指令后，隨即向電磁切斷閥發(fā)送信號指令，電磁切斷閥打開，實現(xiàn)正常供氣；烹飪結(jié)束后，用戶將兩個燃氣灶點火開關(guān)均關(guān)閉，點火開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測器向控制器發(fā)送狀態(tài)信號指令，控制器接收到指令后，隨即向電磁切斷閥發(fā)送信號指令，電磁切斷閥關(guān)閉，從而實現(xiàn)“關(guān)火即關(guān)閥”的功能。這正是主動性防御工作理念的體現(xiàn)，可從根本上有效防止因用戶忘關(guān)或未完全關(guān)閉閥門造成的燃氣事故。

圖2 “關(guān)火即關(guān)閥”功能實現(xiàn)原理

1.2 “遠程一鍵切斷”功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)“遠程一鍵切斷”防止干燒功能的原理，如圖3所示。當用戶不在家時，可以通過配套的手機端APP進行電磁切斷閥狀態(tài)監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)電磁閥處于打開狀態(tài)，用戶可以隨時隨地根據(jù)需要遠程一鍵切斷。當然，手機端APP后臺也會實時監(jiān)測電磁切斷閥的常開時間，一般系統(tǒng)對電磁切斷閥的常開時間默認設置為3 h(用戶也可以根據(jù)使用需求直接在APP上進行常開時間設置)，當電磁切斷閥的常開時間超過3 h時，APP會自動發(fā)出用氣超時提醒，由用戶確認屬于忘關(guān)灶具情形還是長時間烹飪情形。此外，當用戶未及時確認時，終端系統(tǒng)平臺會自動鎖定用戶，由電腦機器人直接撥打用戶預留號碼進行提醒和確認，從而可以有效地防治干燒事故及其嚴重后果。另外，對于廚房發(fā)生火災時，用戶無法現(xiàn)場關(guān)閥，也可通過此功能來實現(xiàn)緊急切斷。

圖3 “遠程一鍵切斷”防止干燒功能實現(xiàn)原理

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊設計

主控模塊是整個系統(tǒng)硬件部分的關(guān)鍵，是協(xié)調(diào)各模塊高效運作的核心。綜合考慮到本系統(tǒng)對程序所需要的內(nèi)存、運行速度、抗外界干擾及成本等因素，系統(tǒng)主控模塊選擇中國深圳宏晶公司 STC8F系列的STC8F2K64S2單片機，該單片機具有超高速8051內(nèi)核，最大64K的Flash程序存儲器，42個I/O口，抗干擾能力強，超低功耗，寬電壓，寬溫度，而且售價相對較低[1]。

2.2 通訊模塊設計

考慮到本系統(tǒng)主機與從機之間的通信和用戶端與系統(tǒng)之間的通信，該系統(tǒng)通信模式分內(nèi)部和外部兩種。通過對現(xiàn)有藍牙通信技術(shù)、NRF24L01無線收發(fā)芯片技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)、紅外通信技術(shù)及WiFi通信技術(shù)等5種無線通信技術(shù)對比，綜合考慮系統(tǒng)硬件設計的要求和成本，本系統(tǒng)內(nèi)部通信采用NRF24L01無線收發(fā)芯片，這種芯片工作頻段為2.4～2.5 GHz，工作電壓低(一般在1.9 V與3.6 V之間)，調(diào)制方式采用高斯頻移鍵控調(diào)制方式(GFSK)，具有自動應答和重發(fā)功能，最大數(shù)據(jù)傳輸率可達2 000 Kibit/s，網(wǎng)絡節(jié)點較少，數(shù)據(jù)的安全性相對較高[2]。此外，該芯片還具有一個顯著特點，即在發(fā)射模式、接收模式、掉電模式和待機模式下能保持較小的電流消耗，尤其在掉電模式或待機模式下的效果更為明顯，是嵌入式無線數(shù)據(jù)收發(fā)通信技術(shù)的首選。

系統(tǒng)外部通信采用 WiFi技術(shù)，并且選用ATK-ESP8266作為整個系統(tǒng)的外網(wǎng)模塊。ATK-ESP8266是ALIENTEK公司推出的一款高性能、高性價比的UART-WiFi(串口-無線)模塊，該款模塊完美兼容了3.3 V和5 V的單片機系統(tǒng)，一般情況下可以直接通過UART與主控模塊進行通信，避免了采用電平轉(zhuǎn)換電路進行二次轉(zhuǎn)化，有效控制了硬件成本[3]。

2.3 燃氣灶點火開關(guān)狀態(tài)檢測模塊設計

為了精確掌握燃氣灶點火開關(guān)狀態(tài)，燃氣灶點火開關(guān)狀態(tài)采用電位器式角度傳感器來實現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電位器式角度傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器與燃氣灶點火開關(guān)通過傳動機構(gòu)組合成一體，在燃氣灶點火開關(guān)旋轉(zhuǎn)過程中，電位器元件的刷頭在電阻滑軌上滑動，其產(chǎn)生的機械位移可直接轉(zhuǎn)換成電信號輸出。一般情況下，電阻滑軌與穩(wěn)態(tài)直流電壓相連接，刷頭端子與輸出端之間的電壓與刷頭在電阻滑軌上轉(zhuǎn)動的角度成正比[4]。

2.4 電磁切斷閥模塊設計

本系統(tǒng)最關(guān)鍵的從機即為電磁切斷閥，它是控制燃氣立管與灶具連通的重要單元。本系統(tǒng)中電磁切斷閥設置在燃氣表前，且選定ZD-20型雙穩(wěn)態(tài)高效節(jié)能電磁閥作為系統(tǒng)氣體截斷單元。在具體工作過程中，主控模塊通過I/O口輸出信號0或1來進行指令發(fā)布，但是如果I/O端口受到某種外界干擾或者I/O口內(nèi)部被直接擊穿，這種情況下可能會造成輸出信號異常，指令發(fā)布異常，系統(tǒng)功能紊亂，影響用戶使用燃氣，甚至帶來潛在的安全隱患。因此，為了提高電磁切斷閥的準確、高效運作，對電磁切斷閥驅(qū)動電路進行調(diào)整，采取對閥體兩端分別電源控制和方波信號控制一路的模式。

2.5 電源模塊設計

電源模塊是系統(tǒng)的動力來源的關(guān)鍵，最優(yōu)的電源模塊能夠給系統(tǒng)中各模塊提供安全、可靠的直流電源，本系統(tǒng)涉及的各個模塊工作電壓存在差異。主電源可以選用TP4056配套備用電源(5 V輸出電壓的充電寶)直接供電，而NRF24L01無線收發(fā)芯片的供電電壓是3.3 V，這里采用AMS1117-3.3的電源穩(wěn)壓芯片進行降壓轉(zhuǎn)化[5]，將原有工作電壓 5 V轉(zhuǎn)化至3.3 V供NRF24L01正常使用。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機主程序設計

系統(tǒng)主控模塊單片機程序設計選用 keil C51(9.59版)編程開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)編寫代碼效率相對于其他編程系統(tǒng)效率更高，且語言更容易被開發(fā)者理解[6]。在實際運作過程中，系統(tǒng)通過單片機主程序調(diào)用各子程序模塊來完成預設功能，子程序模塊主要涵蓋燃氣灶點火開關(guān)狀態(tài)檢測模塊程序、電磁切斷閥控制模塊程序、電磁閥工作狀態(tài)監(jiān)測模塊程序和無線通信模塊程序等。當單片機主程序啟動后，首先對各個模塊進行初始化工作，手機APP端與WiFi模塊建立數(shù)據(jù)通道，然后由手機APP端直接向主機發(fā)送控制指令，主機在收到指令后，單片機主程序轉(zhuǎn)至中斷服務程序，并開始執(zhí)行用戶指令操作內(nèi)容，這個過程中，單片機會根據(jù)指令的類型，將指令歸類到不同的寄存器里，然后再進行讀取，根據(jù)不同的指令，完成電平輸出，此時，電磁切斷閥會根據(jù)輸入端的電平高低執(zhí)行開閉動作，同時電磁切斷閥的工作狀態(tài)會實時反饋至主控模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

3.2 手機端APP開發(fā)

手機端 APP是用戶遠程對廚房燃氣智控系統(tǒng)操控的平臺。手機客戶端配備Android和IOS操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的手機類型選擇性下載安裝。手機端 APP的開發(fā)工作主要包含主界面的設計、手機與系統(tǒng)的連接狀態(tài)的控制與顯示、電磁切斷閥的工作狀態(tài)顯示及“一鍵遠程切斷”按鈕等。用戶借助手機端APP，首先通過Internet網(wǎng)絡與服務器進行數(shù)據(jù)交換，其次服務器通過 WiFi網(wǎng)關(guān)與系統(tǒng)主控模塊進行數(shù)據(jù)交換，而主控模塊繼續(xù)可以通過NRF24L01無線收發(fā)芯片與系統(tǒng)內(nèi)其他模塊進行數(shù)據(jù)交流，最終達到用戶遠程對系統(tǒng)的精確控制目的。手機端APP軟件的主程序流程如圖6所示。

圖6 手機端APP軟件的主程序流程

4 結(jié)語

本文從有效規(guī)避用戶“忘關(guān)或未完全關(guān)閉閥門”導致室內(nèi)燃氣事故的角度出發(fā)，提出了一種主動性防御的廚房燃氣安全智控系統(tǒng)方案，重點闡述了系統(tǒng)硬件和軟件的整體框架和設計思路，能夠防范燃氣泄漏、干燒等一系列燃氣不安全事件，并能可有效提高用戶燃氣系統(tǒng)的本質(zhì)安全性，對智慧廚房燃氣安全系統(tǒng)的建設具有一定的參考意義，符合當前室內(nèi)燃氣安全管理的現(xiàn)實需要。