摘　要：针对当前家庭使用天然气存在的泄漏隐患问题，提出了一种基于单片机技术和无线射频技术的多点分布式天然气泄漏监测系统的设计方案。阐述了系统的工作原理，详细介绍了硬件电路的设计和系统软件的设计。

关键词：天然气；分布式；单片机；射频技术；监测

一、引言

随着国家节能减排和清洁能源计划的推进，越来越多的城镇居民家中通上了管道天然气，但主要成分为甲烷(CH₄)的管道天然气对于使用家庭存在危险隐患，当甲烷在空气中含量为5%～16%时，具有爆炸危险性；当含量高于16%时，没有爆炸性，但可以燃烧；甲烷本身虽然无毒，但空气中甲烷浓度过高时，相对降低了空气的含氧量，对人有窒息作用。

目前开发的各种甲烷检测仪多为单点监测，无法实现多居室或多个潜在燃气泄漏点的同时监测，不适合在一般家庭普及使用。为克服现有技术不足，基于单片机和无线射频技术设计了一种分布式天燃气泄漏监测系统。该分布式燃气泄漏监测系统能够通过多点监测、射频模块无线传输方式实现对居室环境中可能存在燃气泄漏的多个监控点的同步实时监测。

二、系统组成和工作原理

分布式燃气泄漏监测系统包括监控主机和多个数据采集从机，其原理框图如图1所示：

监控主机包括单片机MSP430F247、人机交互模块、声光报警模块、GSM模块和ZigBee射频模块；数据采集从机如右侧所示，包括供电电源模块、燃气浓度检测模块、ZigBee射频模块。数据采集从机放置在管道接口、厨房或燃气锅炉房等燃气泄漏重点监测区域，监控主机和多个数据采集从机之间通过ZigBee射频模块实现数据无线传输与交换。

数据采集从机中的燃气浓度检测模块通过MQ-9可燃气体传感器及其调理电路，将检测到的燃气浓度信息转化为电信号并放大后送ZigBee射频模块，射频模块通过无线传输模式将燃气浓度信息传输给监控主机，监控主机由单片机MSP430F247内置的A/D转换器将采集到的数据转换为数字信号并进行分析处理。监控主机负责对其组网范围内的所有数据采集从机进行编码和身份确认并进行定时巡检，若无线射频模块接收到的数据超出监控主机的预设燃气浓度警戒数值，监控主机将其与预设数据比较后控制声光报警模块发出相应报警提示。

三、系统硬件电路组成

单片机采用美国德州仪器公司TI公司的MSP430F247，具有超低功耗、高性能模拟技术以及丰富的片上处理模块等特点。MSP430F247内置多通道12bitA/D转换器，内部有四个串行接口，支持SPI、UART、I2C通信，更方便设计与GSM、LCD等其他扩展模块的连接。

燃气浓度检测模块包括核心器件MQ-9半导体可燃气体传感器及其外围的信号调理电路，MQ-9气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号，高温(5.0V加热)检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体，具有可靠性高、成本低的优势。

ZigBee射频模块采用德州仪器公司提供的射频模块CC2420EM，该芯片具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段工作；并且提供一个SPI接口与微处理器相连，完成寄存器的设置和收发数据的任务。利用此芯片开发的无线通信设备最高数据传输速率可达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。

供电电源模块通过三端稳压芯片LM7805得到+5V电压，经过芯片PS7333Q构成的转换电路得到+3.3V的稳定电压。+5V电压满足运放供电的要求，+3.3V电压将为MSP430F247、射频模块CC2420、液晶显示模块12864、GSM模块TC35和声光报警模块提供供电电源。　　　　

人机交互模块由键盘输入与液晶显示电路实现，用户通过按键实现系统的开启和关闭、系统工作模式的选择、报警阈值的设定。键盘采用单键输入式，简化了控制程序。液晶显示模块选用带汉字库的点阵式12864显示器，采用并行控制模式，液晶的8个数据传输管脚及6个控制管脚分别对应于MSP430F247的14个I/O口，通过相应I/O的设定控制显示信息。GSM无线通讯模块选用西门子公司推出的TC35，设计中使用短消息发收功能。TC35收发短消息共有三种模式：Block模式，PDU模式和Text模式，本系统采用Text模式来进行数据的传输，可以与手机实现双向通信，从而达到实时监控报警和远程数据记录的功能。硬件上通过MSP430F247的串口数据线UCA0TXD、UCA0RXD和MAX232相连，实现与GSM模块之间的数据接收与发送。声光报警模块核心器件为语音芯片ISD1420，在监测到燃气泄漏后接受处理器的指令发出相应语音信号报警和红色警示灯闪烁报警。

四、系统软件设计

分布式燃气泄漏监测系统根据家居具体人员情况提供两种工作模式，现场监测模式和远程监测模式。若选择现场监测模式，在发生燃气泄漏时，监控主机可以由液晶显示屏读出燃气泄漏点数据采集从机的编号和其所处位置环境的燃气浓度，声光报警模块开启警示灯的同时发出语音报警；若选择工作在远程监测模式下，当检测到的燃气浓度值超过设定阈值时，警示灯开启、蜂鸣器发出报警声。与此同时，当前数据通过GSM模块发送到目标手机终端。

系统的主要功能是由软件实现，所有程序采用C语言编写。主要包含三个进程，主程序、现场监测模式进程和远程监测模式进程，主程序包括系统的初始化、工作模式的选择和按键操作，系统初始化后，LCD显示系统主界面；按键操作均采用中断方式设计，可以减少CPU的占用时间，通过工作模式的选择调入其他相应的进程。现场监测模式进程中主要进行数据的采集、本地记录和显示，而不作远程发送，远程监测模式进程中，除了进行数据的采集显示，还实时通过GSM向远端发送。

五、结束语

该分布式燃气泄漏监测系统能通过多点监测、无线传输方式实现对多个潜在燃气泄漏点的有效监测及燃气浓度显示，在某个监测点燃气检测量超标时能够发出声光报警、泄漏点位置指示。其结构简单、设计新颖合理，提供实时监测和远程检测两种不同工作模式。相比较同类产品，可扩展能力强，能有效地预防燃气泄漏隐患，具有较为广泛的应用前景。

参考文献：

[1]沈建华，杨艳琴，翟骁曙编著.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2004

[2]张志伟.一种远程矿井瓦斯浓度检测仪的设计[J].煤矿安全，2011，(2)：78-80.

(本文作者：张志伟 陕西理工学院物理与电信工程学院)