摘要：针对现有家用燃气报警系统存在误报警和漏报警现象，设计了一种基于无线通信技术的燃气报警系统，实现燃气泄漏检测的双重报警功能。该系统以RAM处理器Cortex-A9、ZigBee模块CC2530、GPRS模块SIM900A为核心，通过半导体气敏传感器MQ-5进行数据采集，通过ZigBee网络和GPRS网络进行无线传输，把燃气泄漏检测报警信号分别发送给用户和小区监控中心，同时开启室内声光报警、门窗和排风扇。该系统成本低、效率高、操作简单，能够满足家庭燃气的安全需求。
关键词：燃气报警；ZigBee；MQ-5；无线通信
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.022
引言
燃气的检测和报警处理是确保家用燃气安全的有效途径之一，同时也是家庭安全防范的重要组成部分。日常生活中，造成燃气泄漏的主要原因有燃气胶管破裂未能及时发现、做饭期间中途离开等。当燃气泄漏时，未及时处理导致燃气浓度过高而产生爆炸，由此造成巨大生命财产损失[1]。目前市场上的燃气报警器只能简单地满足报警需求，同时存在误报和漏报警现象，无法及时将报警信号同时发送到用户和小区监控中心，不能及时应急处理。而且燃气报警器功能单一，无法满足燃气使用过程中的安全需求，存在诸多局限性[2]。为了弥补以往燃气报警系统的不足，本文设计了一种基于无线通信技术的燃气报警系统，当燃气泄漏时，室内启动声光报警和开启门窗、排风扇，以降低燃气浓度，避免爆炸危险，并通过移动网络将报警信号同时发送到用户和小区监控中心，以便及时处理燃气泄露[3]。本文设计采用较稳定的双向无线ZigBee通信技术，处理器采用Freescale公司Cortex-A9处理器，运算能力强，易于扩展，同时利用GPRS移动通信技术实现实时通信，增强系统可靠性。
1系统总体设计
本设计总体把报警系统分为室外报警、燃气检测、室内处理三个部分，系统核心包括ZigBee传感网络、ZigBee网关、GPRS移动网络，系统总体结构如图1所示。ZigBee网络采用星型拓扑结构，传感器节点通过路由器接入无线传感网络[4]。当传感器的端节点检测到燃气泄漏，通过Z-Stack协议栈以无线传输形式发送给协调器端的无线传感网络模块，然后通过其串口发送到处理器，经处理后，通过声光报警器发出报警信号，与此同时协调器端向主控单元发送控制信号，实现继电器控制门窗、排风扇的开关的开启和关闭。其次经A/D转换器的报警信号由GPRS移动网络以短信/固定拨号的形式把泄漏情况发送到用户和小区监控中心，等待下一步泄漏事故处理。把无线传感技术和移动通信技术充分结合实现双重报警功能，运用于家庭燃气泄漏检测，具有布线简单、传输速率快的优势，能够满足不宜布线的室内设计要求，增强家用燃气的安全性。
2系统硬件设计
2.1无线传输网络设计为满足燃气报警系统的安装方便和避免室内不宜布线的实际情况，本文设计采用无线传感网络，其硬件结构如图2所示。主要由处理器外围电路、ZigBee模块、GPRS模块组成，远程报警采用GPRS移动网络实现。本设计优点表现在SIM900A模块能够实现低功耗语音数据传输，采用分组交换技术的GPRS具有高速和实时在线的特点[5-8]。采用高主频Cortex-A9处理器，能够提供高扩展性和高功耗效率的解决方案，具有多种核数可以选用，其丰富的接口及强大的功能在各个领域都广泛的应用[9]。采用CC2530模块作为无线网络传输，极高的性价和强大的无线传感网络节点，对于此模块而言，仅需配上电源、时钟电路、串行调试模块、天线模块便可以正常工作[10]。2.2传感检测与报警设计本设计燃气泄漏检测由MQ-5半导体气敏传感器完成，对燃气检测具有很高灵敏度，同时具有快速的响应恢复特性[11]。图3所示为传感检测节点硬件结构，由传感器、传感网络模块、外围电路组成。本文设计双重报警功能主要包括室内报警处理和远程报警，其中室内报警处理利用声光报警器、继电器控制门窗、排风扇的开关。远程报警主要是通过移动网络把报警信息传输到用户和小区监控中心。报警单元结构框图如图4所示。继电器作为一种电控制器件，常用于自动化的控制电路，是优先选择的自动开关元件[12]。本设计中门窗和排风扇的自控正是运用继电器这一优越性。当传感器检测到燃气时，继电器开关工作，打开排风扇降低燃气浓度，分散有毒、易爆物质浓度，防止二次危险。
3系统软件设计
根据整个系统设计要求，ZigBee芯片的开发基于Z-Stack协议栈，采用星型拓扑结构构建无线传感网络，并将软件设计分为终端程序设计、网关程序设计、协调器节点设计、传感节点程序设计。燃气检测报警终端软件能够实现数据采集、数据处理、报警等功能。系统通电后，单片机和各个模块初始化，传感器获取燃气泄漏信息数据后上传主控芯片中，经单片机处理数据后发出报警指令，系统终端流程如图5所示。3.1Z-Stack协议栈简述ZigBee的开发基于Z-Stack协议栈，它是TI公司推出的符合ZigBee规范的平台，采用分布式寻址方案，能够完全适应无线传感网络的环境要求。该协议栈利用操作系统的思想构建系统，当系统初始化后，系统进入低功耗，当系统被呼唤后，开始进入终端处理数据信息。在进行Z-Stack协议栈开发时，需要理解协议栈中3个重要的变量：(1)taskCnt变量，主要保存任务总数；(2)taskEvent指针标量，主要指向事件表的接收地址；(3)taskArr数组标量，指向每一个处理函数，其数组每一项均为函数指针。Z-Stack协议栈具有强大的功能，其开放式协议栈能够适应于大部分应用设计[13]。3.2ZigBee网关程序设计图6所示为网关程序设计流程图，首先各个模块初始化后，ZigBee网关接收到传感器节点上传的燃气检测信号，通过继电器打开门窗、排风扇并启动声光报警，通过GPRS移动通信网络将报警信号远程发送。3.3协调器节点程序设计对于协调器而言，当传感器监测到燃气泄漏信号时，通过传感器终端节点传输到协调器，再通过串口把信息传送到主控芯片，其流程如图7所示。3.4传感节点软件设计传感节点软件流程如图8所示。传感器模块初始化后，首先检测传感器是否正常工作，然后采集数据，预警燃气泄漏，进入无线传感网络，开启声光报警和门窗、排风扇，并将数据上传至协调器。
4结语
本文设计以ARM系列处理器为主控芯片，结合当前先进的无线传感网络技术，从硬件设计、软件设计等多方面深入在家庭燃气泄漏检测报警系统的应用。本设计采用CC2530模块、SIM900A模块实现无线传感网络的传输与通信功能，并采用高灵敏度的MQ-5半导体气敏传感完成了对家用燃气泄漏检测报警功能。通过对传感器与无线网络模块终端节点连接，监控数据经主控芯片处理后通过GPRS移动网络传输给小区监控中心和用户，并实现室内声光报警和继电器自控开启门窗、排风扇，实现安全的双重报警功能。本系统传输速率快、灵敏度高、成本低、功耗低；模块化设计，便于功能扩展，能够满足对家庭燃气的安全需求，具有较强的实际使用价值。
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作者：谯自强 刘晋 周东平 单位：重庆科技学院安全工程学院 重庆市能源投资集团 重庆市能源投资集团科技有限责任公司