摘　要：針對(duì)當(dāng)前家庭使用天然氣存在的泄漏隱患問(wèn)題，提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的多點(diǎn)分布式天然氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。闡述了系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：天然氣；分布式；單片機(jī)；射頻技術(shù)；監(jiān)測(cè)

一、引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排和清潔能源計(jì)劃的推進(jìn)，越來(lái)越多的城鎮(zhèn)居民家中通上了管道天然氣，但主要成分為甲烷(CH₄)的管道天然氣對(duì)于使用家庭存在危險(xiǎn)隱患，當(dāng)甲烷在空氣中含量為5%～16%時(shí)，具有爆炸危險(xiǎn)性；當(dāng)含量高于16%時(shí)，沒(méi)有爆炸性，但可以燃燒；甲烷本身雖然無(wú)毒，但空氣中甲烷濃度過(guò)高時(shí)，相對(duì)降低了空氣的含氧量，對(duì)人有窒息作用。

目前開(kāi)發(fā)的各種甲烷檢測(cè)儀多為單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多居室或多個(gè)潛在燃?xì)庑孤c(diǎn)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，不適合在一般家庭普及使用。為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，基于單片機(jī)和無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)設(shè)計(jì)了一種分布式天燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該分布式燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、射頻模塊無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現(xiàn)對(duì)居室環(huán)境中可能存在燃?xì)庑孤┑亩鄠€(gè)監(jiān)控點(diǎn)的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

二、系統(tǒng)組成和工作原理

分布式燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)控主機(jī)和多個(gè)數(shù)據(jù)采集從機(jī)，其原理框圖如圖1所示：

監(jiān)控主機(jī)包括單片機(jī)MSP430F247、人機(jī)交互模塊、聲光報(bào)警模塊、GSM模塊和ZigBee射頻模塊；數(shù)據(jù)采集從機(jī)如右側(cè)所示，包括供電電源模塊、燃?xì)鉂舛葯z測(cè)模塊、ZigBee射頻模塊。數(shù)據(jù)采集從機(jī)放置在管道接口、廚房或燃?xì)忮仩t房等燃?xì)庑孤┲攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)控主機(jī)和多個(gè)數(shù)據(jù)采集從機(jī)之間通過(guò)ZigBee射頻模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸與交換。

數(shù)據(jù)采集從機(jī)中的燃?xì)鉂舛葯z測(cè)模塊通過(guò)MQ-9可燃?xì)怏w傳感器及其調(diào)理電路，將檢測(cè)到的燃?xì)鉂舛刃畔⑥D(zhuǎn)化為電信號(hào)并放大后送ZigBee射頻模塊，射頻模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模式將燃?xì)鉂舛刃畔鬏斀o監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)由單片機(jī)MSP430F247內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理。監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)其組網(wǎng)范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)采集從機(jī)進(jìn)行編碼和身份確認(rèn)并進(jìn)行定時(shí)巡檢，若無(wú)線(xiàn)射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)超出監(jiān)控主機(jī)的預(yù)設(shè)燃?xì)鉂舛染鋽?shù)值，監(jiān)控主機(jī)將其與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)比較后控制聲光報(bào)警模塊發(fā)出相應(yīng)報(bào)警提示。

三、系統(tǒng)硬件電路組成

單片機(jī)采用美國(guó)德州儀器公司TI公司的MSP430F247，具有超低功耗、高性能模擬技術(shù)以及豐富的片上處理模塊等特點(diǎn)。MSP430F247內(nèi)置多通道12bitA/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有四個(gè)串行接口，支持SPI、UART、I2C通信，更方便設(shè)計(jì)與GSM、LCD等其他擴(kuò)展模塊的連接。

燃?xì)鉂舛葯z測(cè)模塊包括核心器件MQ-9半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器及其外圍的信號(hào)調(diào)理電路，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，高溫(5.0V加熱)檢測(cè)可燃?xì)怏w甲烷、丙烷并清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體，具有可靠性高、成本低的優(yōu)勢(shì)。

ZigBee射頻模塊采用德州儀器公司提供的射頻模塊CC2420EM，該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線(xiàn)、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段工作；并且提供一個(gè)SPI接口與微處理器相連，完成寄存器的設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)的任務(wù)。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

供電電源模塊通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片LM7805得到+5V電壓，經(jīng)過(guò)芯片PS7333Q構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路得到+3.3V的穩(wěn)定電壓。+5V電壓滿(mǎn)足運(yùn)放供電的要求，+3.3V電壓將為MSP430F247、射頻模塊CC2420、液晶顯示模塊12864、GSM模塊TC35和聲光報(bào)警模塊提供供電電源。　　　　

人機(jī)交互模塊由鍵盤(pán)輸入與液晶顯示電路實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉、系統(tǒng)工作模式的選擇、報(bào)警閾值的設(shè)定。鍵盤(pán)采用單鍵輸入式，簡(jiǎn)化了控制程序。液晶顯示模塊選用帶漢字庫(kù)的點(diǎn)陣式12864顯示器，采用并行控制模式，液晶的8個(gè)數(shù)據(jù)傳輸管腳及6個(gè)控制管腳分別對(duì)應(yīng)于MSP430F247的14個(gè)I/O口，通過(guò)相應(yīng)I/O的設(shè)定控制顯示信息。GSM無(wú)線(xiàn)通訊模塊選用西門(mén)子公司推出的TC35，設(shè)計(jì)中使用短消息發(fā)收功能。TC35收發(fā)短消息共有三種模式：Block模式，PDU模式和Text模式，本系統(tǒng)采用Text模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以與手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向通信，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄的功能。硬件上通過(guò)MSP430F247的串口數(shù)據(jù)線(xiàn)UCA0TXD、UCA0RXD和MAX232相連，實(shí)現(xiàn)與GSM模塊之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。聲光報(bào)警模塊核心器件為語(yǔ)音芯片ISD1420，在監(jiān)測(cè)到燃?xì)庑孤┖蠼邮芴幚砥鞯闹噶畎l(fā)出相應(yīng)語(yǔ)音信號(hào)報(bào)警和紅色警示燈閃爍報(bào)警。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

分布式燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)家居具體人員情況提供兩種工作模式，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模式和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式。若選擇現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模式，在發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，監(jiān)控主機(jī)可以由液晶顯示屏讀出燃?xì)庑孤c(diǎn)數(shù)據(jù)采集從機(jī)的編號(hào)和其所處位置環(huán)境的燃?xì)鉂舛龋暪鈭?bào)警模塊開(kāi)啟警示燈的同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；若選擇工作在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式下，當(dāng)檢測(cè)到的燃?xì)鉂舛戎党^(guò)設(shè)定閾值時(shí)，警示燈開(kāi)啟、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。與此同時(shí)，當(dāng)前數(shù)據(jù)通過(guò)GSM模塊發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)終端。

系統(tǒng)的主要功能是由軟件實(shí)現(xiàn)，所有程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包含三個(gè)進(jìn)程，主程序、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模式進(jìn)程和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式進(jìn)程，主程序包括系統(tǒng)的初始化、工作模式的選擇和按鍵操作，系統(tǒng)初始化后，LCD顯示系統(tǒng)主界面；按鍵操作均采用中斷方式設(shè)計(jì)，可以減少CPU的占用時(shí)間，通過(guò)工作模式的選擇調(diào)入其他相應(yīng)的進(jìn)程?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模式進(jìn)程中主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、本地記錄和顯示，而不作遠(yuǎn)程發(fā)送，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式進(jìn)程中，除了進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集顯示，還實(shí)時(shí)通過(guò)GSM向遠(yuǎn)端發(fā)送。

五、結(jié)束語(yǔ)

該分布式燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)能通過(guò)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)潛在燃?xì)庑孤c(diǎn)的有效監(jiān)測(cè)及燃?xì)鉂舛蕊@示，在某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)燃?xì)鈾z測(cè)量超標(biāo)時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警、泄漏點(diǎn)位置指示。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)新穎合理，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程檢測(cè)兩種不同工作模式。相比較同類(lèi)產(chǎn)品，可擴(kuò)展能力強(qiáng)，能有效地預(yù)防燃?xì)庑孤╇[患，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈建華，楊艷琴，翟驍曙編著.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2004

[2]張志偉.一種遠(yuǎn)程礦井瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2011，(2)：78-80.

(本文作者：張志偉 陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院)