傅仁軒，陳龍飛，王慶華

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510510；2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

可燃性氣體作為燃料，除用于居民生活外，在工廠、公共建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在給生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)存在許多安全隱患[1]。2021年我國(guó)連續(xù)發(fā)生多起燃?xì)庑孤┦鹿?，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成危害，因此可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)和報(bào)警控制是一項(xiàng)非常必要的工作[2]。市場(chǎng)上已有多個(gè)廠家生產(chǎn)的可燃?xì)怏w報(bào)警器產(chǎn)品，有獨(dú)立型和有線組網(wǎng)方式型兩種[3]。獨(dú)立型一旦有險(xiǎn)情發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。但如果現(xiàn)場(chǎng)無人，則無法關(guān)閉氣閥等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，易造成嚴(yán)重后果。有線型的報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警器的輸出用導(dǎo)線連接機(jī)械手閥門，當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，報(bào)警器的輸出使機(jī)械手閥門關(guān)閉，切斷氣源，不會(huì)使泄漏氣體繼續(xù)擴(kuò)散，但在用氣現(xiàn)場(chǎng)布線難，線路易老化、易損壞[4]。本文基于無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種適用于居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等環(huán)境下的燃?xì)庑孤﹫?bào)警控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程雙重報(bào)警并及時(shí)開啟聯(lián)動(dòng)控制裝置排除險(xiǎn)情，可在很大程度上降低災(zāi)情的發(fā)生，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

燃?xì)庑孤﹫?bào)警控制系統(tǒng)主要由可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心等組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。其中可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備安裝在用氣設(shè)備附近，無線網(wǎng)關(guān)選擇安裝在節(jié)點(diǎn)設(shè)備集中、地勢(shì)高的地方，實(shí)現(xiàn)區(qū)域信號(hào)覆蓋，方便與節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通信。

圖1 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)由三級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，無線網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心平臺(tái)通過4G全網(wǎng)通組成一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與監(jiān)控中心平臺(tái)[5]之間的雙向數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的上下貫通；可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通過LoRa無線技術(shù)組成二級(jí)網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的報(bào)警器與聯(lián)動(dòng)裝置通過藍(lán)牙無線技術(shù)組成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控中心既能通過操作員站、移動(dòng)智能終端對(duì)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備下發(fā)命令進(jìn)行控制，又能接收各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，形成歷史數(shù)據(jù)及各種報(bào)表，實(shí)現(xiàn)泄漏氣體全過程可追溯。有報(bào)警時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警，并將信息發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)上[6]，以便及時(shí)處理險(xiǎn)情，確保用氣安全可控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)上下行傳輸?shù)闹行墓?jié)點(diǎn)[7]，網(wǎng)關(guān)下行通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信，上行通過4G全網(wǎng)通或以太網(wǎng)與監(jiān)控中心平臺(tái)通信。網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)主要由MCU、LoRa收發(fā)模塊，4G全網(wǎng)通由收發(fā)模塊、電源等組成，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。MCU選擇采用32bit ARM Cortex-M4F內(nèi)核的N32G457RC，其最高工作主頻144 MHz。設(shè)計(jì)3.3 V的工作電源。

圖2 網(wǎng)關(guān)電路圖

以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，N32G457RC的10/100 Mbps以太網(wǎng)MAC(媒體訪問控制器)模塊，支持MII(媒體獨(dú)立

接口)與RMII(簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口)兩種與物理層(PHY)通訊，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。

4G通信接口設(shè)計(jì)，4G全網(wǎng)通模塊選用移遠(yuǎn)通信的LTE Cat 4無線通信模塊EC200T-CN，通過MCU的UART接口與該模塊的UART接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。設(shè)計(jì)電壓3.8 V、電流不小于2 A的電源，用于給模塊的基帶供電和射頻供電，同時(shí)為外部GPIO提供1.8 V的電平。通過MCU的I/O控制該模塊NRST為低電平時(shí)模塊復(fù)位。MCU通過采集該模塊的NET_STAUS、NET_MODE輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)其工作狀態(tài)決定發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。由于模塊的串口電平為1.8 V，需要采用TSX0108EPWR電平轉(zhuǎn)換芯片與3.3 V的MCU主機(jī)系統(tǒng)UART連接。

LoRa通信接口設(shè)計(jì)。LoRa模塊選用LSD4WN-2R717M90，通過MCU的UART接口與該模塊的UART接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。設(shè)計(jì)電壓3.3 V的電源，通過MCU的I/O控制LoRa工作狀態(tài)，如當(dāng)MCU使NRST為低電平時(shí)模塊復(fù)位；當(dāng)MCU使MODE為高電平時(shí)模塊工作于命令模式，在命令模式下，MCU通過串口發(fā)送 AT指令來訪問模塊，配置及查詢模塊工作參數(shù)；當(dāng)MCU使MODE為低電平時(shí)模塊工作于透?jìng)髂Ｊ?，在透?jìng)髂Ｊ较拢K直接轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)；當(dāng)MCU使WAKE為低電平時(shí)進(jìn)入睡眠模式；當(dāng)MCU使WAKE為高電平時(shí)喚醒睡眠，進(jìn)入正常工作模式；同時(shí)MCU通過采集LoRa模塊的BUSY、SATA輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)其工作狀態(tài)決定發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。LoRa模塊采用串行接口與用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令交互，實(shí)現(xiàn)快速LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)接入和無線數(shù)據(jù)通信等功能。

2.2 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括報(bào)警控制器、機(jī)械手閥門控制器、排氣扇控制器等[8]。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。網(wǎng)關(guān)與報(bào)警控制器通過LoRa技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)報(bào)警器同時(shí)與網(wǎng)關(guān)通信。當(dāng)氣體泄漏濃度大于閾值時(shí)，通過主動(dòng)上報(bào)的方式將氣體泄漏濃度數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收的各報(bào)警控制器數(shù)據(jù)打包上傳給監(jiān)控中心平臺(tái)。報(bào)警控制器與機(jī)械手閥門控制器、排氣扇控制器通過藍(lán)牙技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)，報(bào)警控制器是這個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備，機(jī)械手閥門控制器、排氣扇控制器是網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備，它們之間通過無線藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖3 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 報(bào)警控制器硬件設(shè)計(jì)

報(bào)警控制器是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的核心設(shè)備，包括氣體傳感器、藍(lán)牙模塊、LoRa模塊、MCU控制器，報(bào)警控制器的電路圖如圖4所示。MCU采用32-bit ARM Cortex-M0內(nèi)核的N32G02Gx,工作頻率80 MHz。

傳感器的接入電路，選擇TTL輸出的燃?xì)鈧鞲衅鳎簹獾闹饕煞质且谎趸?，天然氣的主要成分甲烷CH4，探測(cè)器主要檢測(cè)氣體濃度，監(jiān)測(cè)范圍為0～100%LEL。傳感器輸出值較小，必須經(jīng)過放大器放大后才能被A/D轉(zhuǎn)換電路接收，放大器選擇最低功耗零漂移運(yùn)算放大器LTC2063。傳感器與放大器的連接電路如圖5所示[9-10]，將較小的傳感器輸出電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器放大到需要的電壓值Vout，輸出電壓Vout接到圖4中MCU的AVDD1。

圖4 報(bào)警器的電路

圖5 傳感器與放大器的連接電路

LoRa通信接口設(shè)計(jì)。LoRa模塊選用LSD4RF-2R714N10，通過MCU的SPI接口與該模塊的SPI接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，通過MCU的GPIO控制LoRa的接收與發(fā)送，當(dāng)MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=1時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU使SW-CTL1=1，SWCTL2=0時(shí)接收數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU使SW-CTL1=0，SWCTL2=0時(shí)待機(jī)，當(dāng)MCU使NREST為低電平時(shí)模塊復(fù)位，同時(shí)MCU通過采集LoRa模塊的BUSY輸出電平判斷模塊的工作狀態(tài)。LoRa通信模塊與N32G020G5之間的通信電路與控制電路連接如圖4所示。

藍(lán)牙通信接口設(shè)計(jì)。藍(lán)牙通信選擇2.4 GHz片載系統(tǒng)(SoC)CC2541芯片，報(bào)警控制器中的藍(lán)牙設(shè)計(jì)為主機(jī)。MCU通過I2C通信接口控制藍(lán)牙通信模塊聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)安裝的機(jī)械手閥門和排氣扇，關(guān)斷輸氣管道閥門、打開排氣扇，藍(lán)牙通信CC2541與N32G020G5之間的電路連接如圖4所示。

報(bào)警控制器的功能設(shè)計(jì)。檢測(cè)室內(nèi)的燃?xì)庑孤舛?，?dāng)濃度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，報(bào)警控制器完成三項(xiàng)任務(wù)：MCU通過LoRa通信模塊向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息；MCU通過MOS管AQ3400驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈閃爍、驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生聲光報(bào)警；MCU通過藍(lán)牙通信模塊啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)裝置關(guān)斷閥門、打開排氣扇。

2.2.2 聯(lián)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備包括閥門控制器[11]和排氣扇控制器[12]。閥門控制器由機(jī)械手和控制器組成，控制器包括CPU、藍(lán)牙、開閥控制、關(guān)閥控制、閥狀態(tài)等。排氣扇控制器由排氣扇和控制器組成，控制器包括CPU、藍(lán)牙、開排氣扇控制、關(guān)排氣扇控制、排氣扇狀態(tài)等。

控制器選擇CC2541片載系統(tǒng)，藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)為從機(jī)，與報(bào)警控制器的主機(jī)配對(duì)通信。為了控制閥門的開啟與關(guān)閉，設(shè)計(jì)了開閥控制和關(guān)閥控制，為了判斷輸出控制的結(jié)果是否正確，設(shè)計(jì)了輸入接口，將閥門的狀態(tài)(開或關(guān))返回給CPU，若CPU檢測(cè)到輸入狀態(tài)與輸出控制值不符，將重新發(fā)送輸出控制指令，直到檢測(cè)到輸出控制結(jié)果正確。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件、網(wǎng)關(guān)軟件和監(jiān)測(cè)中心軟件，系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件有報(bào)警控制器軟件、機(jī)械手閥門控制器軟件、排氣扇控制器軟件。報(bào)警控制器是藍(lán)牙通信的主設(shè)備，機(jī)械手閥門控制器和排氣扇控制器是藍(lán)牙通信的從設(shè)備，報(bào)警控制器有正常狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集燃?xì)鉂舛戎?，并與報(bào)警值進(jìn)行比較，判斷是否現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)設(shè)備，并把采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳送給監(jiān)控中心。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

監(jiān)控中心的軟件主要功能是對(duì)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信息進(jìn)行解析、儲(chǔ)存和顯示。當(dāng)某監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)，監(jiān)控中心聲光報(bào)警，在電子地圖上定位報(bào)警節(jié)點(diǎn)，顯示該節(jié)點(diǎn)的位置信息，并用短信、微信通知聯(lián)系人及運(yùn)維工程師及時(shí)排除險(xiǎn)情。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)報(bào)警控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖1所示，測(cè)試設(shè)備包括監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)1臺(tái)，網(wǎng)關(guān)1臺(tái)，2個(gè)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括報(bào)警器控制器、閥門控制器、排氣扇控制器)，通電后各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)開始工作，經(jīng)過初始化后，LoRa組網(wǎng)成功，藍(lán)牙組網(wǎng)成功。

將可燃?xì)怏w傳感器放置在氣源處，逐漸打開氣源開關(guān)，從監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)顯示界面觀察到氣體濃度值在變化，證明監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)路中運(yùn)行正常。當(dāng)燃?xì)鉂舛戎党^設(shè)定的閾值時(shí)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)報(bào)警器現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警，啟動(dòng)閥門控制器和排氣扇控制器聯(lián)動(dòng)。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)試的數(shù)據(jù)，證明該系統(tǒng)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的測(cè)量精確度較高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。主要功能測(cè)試如表1所示。

表1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)功能測(cè)試表

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)以N32G系列微處理器為主控芯片，結(jié)合多種無線通信組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)的軟硬件，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警控制器及聯(lián)動(dòng)裝置采用CC2541通信、網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間采用LoRa通信，網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心之間采用4G及以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了由三級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)組成的可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通信傳輸能力強(qiáng)、系統(tǒng)組網(wǎng)數(shù)量多的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)可燃?xì)怏w濃度，又能實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程雙重報(bào)警，提高了預(yù)防燃?xì)庑孤┌踩燃?jí)。該系統(tǒng)不僅可以用在居民小區(qū)的可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警，也可以應(yīng)用到工業(yè)園區(qū)等其他環(huán)境，為燃?xì)庑孤﹫?bào)警應(yīng)用提供了解決方案。