俞建明， 厲晶瑩， 沈曉東， 石愛國(guó)， 宋莎莎，程 顥， 唐玲玲， 王穎嘉

(1. 杭州天然氣有限公司， 浙江 杭州 310017； 2.杭州先鋒電子技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310052)

1 概述

燃?xì)馐褂冒踩詫?duì)用戶至關(guān)重要，因居民廚房燃?xì)庑孤┮l(fā)的火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失[1-2]。2021年我國(guó)天然氣事故有309起，對(duì)61起天然氣用戶事故分析發(fā)現(xiàn)，天然氣泄漏事故占比14.8%。市場(chǎng)上大多可燃?xì)怏w探測(cè)器與智能燃?xì)獗頍o(wú)聯(lián)動(dòng)作用，僅有獨(dú)立報(bào)警功能，發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，不能及時(shí)通知智能燃?xì)獗黻P(guān)閉內(nèi)置閥門。若可燃?xì)怏w探測(cè)器與智能燃?xì)獗黹g采用有線連接，智能燃?xì)獗淼陌惭b位置已固定，會(huì)涉及現(xiàn)場(chǎng)布線問題，尤其對(duì)已裝修用戶，安裝方式受限，改造成本大。因此，本文提出智能燃?xì)獗砼c可燃?xì)怏w探測(cè)器的聯(lián)動(dòng)控制方案。

2 聯(lián)動(dòng)控制方案

智能燃?xì)獗砼c可燃?xì)怏w探測(cè)器之間通過藍(lán)牙連接，智能燃?xì)獗韮?nèi)置低功耗藍(lán)牙從機(jī)模塊，可燃?xì)怏w探測(cè)器內(nèi)置低功耗藍(lán)牙主機(jī)模塊，此方案通信功耗小、成本低、通信范圍廣。當(dāng)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到工作環(huán)境中的氣體濃度超標(biāo)時(shí)，向智能燃?xì)獗戆l(fā)送報(bào)警信息，智能燃?xì)獗淼拈y門模塊動(dòng)作，控制內(nèi)置閥門關(guān)閉，切斷燃?xì)?，防止事故發(fā)生。智能燃?xì)獗韮?nèi)部設(shè)置NB-IoT通信模塊，與燃?xì)夤痉?wù)器連接，將異常信息上傳到燃?xì)夤痉?wù)器，提示管理人員查看與管理維修。

2.1 智能燃?xì)獗?/h3>

智能燃?xì)獗硎遣捎肗B-IoT通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換的膜式燃?xì)獗?，主要由基表、控制器、附加裝置組成。控制器是智能燃?xì)獗淼碾娮涌刂撇糠?，由微控制器、液晶顯示模塊、電源管理模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊、采樣計(jì)量模塊、防拆保護(hù)模塊、閥門控制模塊、NB-IoT通信模塊和藍(lán)牙從機(jī)模塊組成[3]。因此，該智能燃?xì)獗砭哂腥細(xì)庥?jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、高可靠性防拆保護(hù)、信息遠(yuǎn)程交互和安全管理等功能。此外，該智能燃?xì)獗砜刂破髦芯哂兴{(lán)牙低功耗協(xié)議，可以通過藍(lán)牙與其他設(shè)備(手機(jī)、帶藍(lán)牙的可燃?xì)怏w探測(cè)器等)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 可燃?xì)怏w探測(cè)器

可燃?xì)怏w探測(cè)器由外殼、電源線和控制器組成。控制器是可燃?xì)怏w探測(cè)器的電子控制部分，主要包括微控制器、按鍵模塊、傳感器模塊、指示燈模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙主機(jī)模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊[3]。

可燃?xì)怏w探測(cè)器可采用36 V及以下直流電或220 V交流電供電。若采用36 V及以下直流電供電，由可燃?xì)怏w探測(cè)器的控制器供電，且電源管理模塊應(yīng)有極性反接的保護(hù)措施。傳感器模塊探測(cè)工作環(huán)境中的可燃?xì)怏w，將探測(cè)信號(hào)用模擬量或數(shù)字量傳遞給微控制器。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過微控制器設(shè)定值時(shí)，指示燈模塊指示紅色報(bào)警狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警模塊進(jìn)行鳴叫，只有故障解除或通過按鍵模塊按鍵消聲才能關(guān)閉鳴叫。液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示工作環(huán)境中被測(cè)氣體的濃度，也可提示可燃?xì)怏w探測(cè)器異常等狀態(tài)。控制器中設(shè)有藍(lán)牙低功耗協(xié)議，具有藍(lán)牙通信功能，藍(lán)牙主機(jī)模塊與智能燃?xì)獗淼乃{(lán)牙從機(jī)模塊建立連接，保證智能燃?xì)獗砼c可燃?xì)怏w探測(cè)器通過藍(lán)牙進(jìn)行信息交互，交互信息存儲(chǔ)在可燃?xì)怏w探測(cè)器的存儲(chǔ)模塊中。

氣體傳感器影響可燃?xì)怏w探測(cè)器性能。常見的氣體傳感器按檢測(cè)原理分為半導(dǎo)體型、接觸燃燒型、電化學(xué)型和紅外型，其中半導(dǎo)體型傳感器具有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、零點(diǎn)漂移小、環(huán)境影響小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于可燃?xì)怏w探測(cè)器中[4]。傳感器輸出錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w探測(cè)器誤報(bào)[5]，誤報(bào)原因主要是烹飪、裝修等產(chǎn)生的干擾氣體和工作環(huán)境變化。比如，廚房烹飪用到料酒，料酒內(nèi)含體積分?jǐn)?shù)10%～15%的酒精，可能導(dǎo)致誤報(bào)[6]；廚房使用的殺蟲劑中含有丙烷或異丁烷，也可能產(chǎn)生誤報(bào)。考慮到家用可燃?xì)怏w探測(cè)器定期維護(hù)、定期標(biāo)定工作量大，宜采用抗干擾性好的傳感器，比如半導(dǎo)體型傳感器，且傳感器應(yīng)符合GB/T 34004—2017《家用和小型餐飲廚房用燃?xì)鈭?bào)警器及傳感器》。

2.3 藍(lán)牙模塊工作流程

智能燃?xì)獗砗涂扇細(xì)怏w探測(cè)器之間通過藍(lán)牙通信，藍(lán)牙傳輸信道為2.4 GHz，藍(lán)牙協(xié)議版本為4.2。當(dāng)智能燃?xì)獗?、可燃?xì)怏w探測(cè)器、藍(lán)牙主機(jī)模塊、藍(lán)牙從機(jī)模塊均處于正常工作狀態(tài)時(shí)，借助藍(lán)牙配對(duì)APP(以下簡(jiǎn)稱APP)將藍(lán)牙主機(jī)模塊和藍(lán)牙從機(jī)模塊綁定。APP綁定流程為：APP獲取智能燃?xì)獗淼乃{(lán)牙MAC地址，APP發(fā)送獲取的智能燃?xì)獗硭{(lán)牙MAC地址，設(shè)置到可燃?xì)怏w探測(cè)器，可燃?xì)怏w探測(cè)器根據(jù)配置的藍(lán)牙MAC地址發(fā)起連接。

智能燃?xì)獗砗涂扇細(xì)怏w探測(cè)器連接流程：智能燃?xì)獗淼乃{(lán)牙從機(jī)模塊周期性向可燃?xì)怏w探測(cè)器的藍(lán)牙主機(jī)模塊發(fā)送連接指令。可燃?xì)怏w探測(cè)器的藍(lán)牙主機(jī)模塊接收到藍(lán)牙從機(jī)模塊發(fā)送的藍(lán)牙連接指令后，將指令傳輸給控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)解析成功后，藍(lán)牙主機(jī)模塊向藍(lán)牙從機(jī)模塊發(fā)送連接指令應(yīng)答正確，藍(lán)牙從機(jī)模塊配合完成連接，智能燃?xì)獗盹@示成功連接。藍(lán)牙主、從機(jī)模塊完成連接后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信還需要進(jìn)行驗(yàn)證?？扇?xì)怏w探測(cè)器和智能燃?xì)獗淼耐ㄐ挪捎脤?shí)時(shí)連接方式，智能燃?xì)獗矶ㄆ谕娇扇細(xì)怏w探測(cè)器的狀態(tài)、濃度、壽命等信息(同步間隔10 min)，同時(shí)監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w探測(cè)器的在線狀態(tài)。當(dāng)工作環(huán)境中燃?xì)鉂舛却笥谠O(shè)定值時(shí)，可燃?xì)怏w探測(cè)器會(huì)立即發(fā)出報(bào)警指示(蜂鳴器鳴叫、指示燈指示)，通過可燃?xì)怏w探測(cè)器的藍(lán)牙主機(jī)模塊將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給智能燃?xì)獗淼乃{(lán)牙從機(jī)模塊，智能燃?xì)獗斫邮盏綀?bào)警信息后立即關(guān)閉閥門，并顯示相關(guān)錯(cuò)誤碼。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)傳輸中使用AES128加密算法，補(bǔ)齊對(duì)齊位數(shù)為128位，即16字節(jié)，加密內(nèi)容為數(shù)據(jù)域內(nèi)容，補(bǔ)齊算法使用PKCS7Padding算法。

3 試掛分析

杭州天然氣有限公司對(duì)采用聯(lián)動(dòng)報(bào)警方案的18套智能燃?xì)獗砗涂扇細(xì)怏w探測(cè)器進(jìn)行試掛。

3.1 智能燃?xì)獗砗涂扇細(xì)怏w探測(cè)器的測(cè)試

首先對(duì)智能燃?xì)獗砗涂扇細(xì)怏w探測(cè)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。智能燃?xì)獗頍o(wú)報(bào)警信息、無(wú)故障、通信正常且在線率均為100%，滿足燃?xì)夤居?jì)量需求和燃?xì)庥脩羰褂靡??？扇細(xì)怏w探測(cè)器按鍵消聲、天然氣報(bào)警功能正常，支持APP配置MAC地址?？扇?xì)怏w探測(cè)器的抗干擾氣體性能應(yīng)該滿足GB/T 34004—2017第5.1.3.6款的要求，在體積分?jǐn)?shù)為0.6%的乙醇和體積分?jǐn)?shù)為0.1%的乙酸干擾下，3 min內(nèi)不應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0.6%的乙醇干擾進(jìn)行測(cè)試，采用2種測(cè)試方案。方案1是將乙醇體積分?jǐn)?shù)大于10%的500 mL料酒加熱后，查看可燃?xì)怏w探測(cè)器是否會(huì)報(bào)警；方案2是將乙醇體積分?jǐn)?shù)為42%的500 mL白酒加熱后，查看可燃?xì)怏w探測(cè)器是否會(huì)報(bào)警。2種測(cè)試方案下，可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)均符合要求，不報(bào)警。對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0.1%的乙酸干擾進(jìn)行測(cè)試：將總酸質(zhì)量濃度大于6.5 g/mL的500 mL陳醋加熱后，查看可燃?xì)怏w探測(cè)器是否會(huì)報(bào)警?？扇?xì)怏w探測(cè)器也應(yīng)符合要求，不報(bào)警。

3.2 可燃?xì)怏w探測(cè)器的安裝位置

應(yīng)安裝在使用燃?xì)獾姆块g內(nèi)，且位于燃?xì)庖仔孤┎课桓浇?/p>

檢測(cè)天然氣(比空氣輕)時(shí)，可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)安裝在距屋頂約30 cm，且距燃具等易泄漏部位水平距離0.5～6.0 m 范圍內(nèi)。

檢測(cè)液化石油氣(比空氣重)時(shí)，可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)安裝在距地面30 cm 以內(nèi)，且距燃具等易泄漏部位水平距離0.5～4.0 m 范圍內(nèi)。

可燃?xì)怏w探測(cè)器在臥室中使用時(shí)，應(yīng)安裝在距離地面100～120 cm 以內(nèi)。

3.3 試掛分析

試掛從2021年12月至2022年5月，共計(jì)180 d。對(duì)日采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，抄表成功率為100%。試掛期間，可燃?xì)怏w探測(cè)器顯示無(wú)異常狀態(tài)，未報(bào)警。智能燃?xì)獗韮?nèi)部設(shè)置NB-IoT通信模塊，具有覆蓋良好、低功耗、速率高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。智能燃?xì)獗淼拇龣C(jī)時(shí)間可達(dá)10 a。智能燃?xì)獗砼c可燃?xì)怏w探測(cè)器之間的藍(lán)牙連接，是否會(huì)對(duì)智能燃?xì)獗砉漠a(chǎn)生影響，是用戶關(guān)心的問題。因此抽查10臺(tái)智能燃?xì)獗磉M(jìn)行電壓測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 10臺(tái)智能燃?xì)獗黼妷簻y(cè)試結(jié)果

由表1可知，智能燃?xì)獗碓噿?80 d后，電池電量有所減少，但電量剩余比例均大于90%，因此得出結(jié)論：智能燃?xì)獗砼c可燃?xì)怏w探測(cè)器之間的藍(lán)牙連接對(duì)智能燃?xì)獗砉挠绊戄^小。