随着人们生活质量的提高，液化气、天然气等清洁能源的应用越来越广泛。燃气事业的迅速发展，给人们带来方便的同时也带来了潜在的危险。燃气在使用过程中易发生泄漏事故，一旦空气中泄漏的燃气较多，极易引起火灾、爆炸等重大安全事故。由于燃气浓度过高的危险不易被人察觉，在燃气泄漏爆炸的多发场所，如天然气加气站、液化气站、城市餐馆的厨房等，存在着重大的安全隐患[1]。

    现有燃气报警器只满足基本的报警需求，在发生燃气泄漏危险时发出声、光报警，而无法反映燃气泄漏至报警的浓度积累过程[1]。由于电路简单、功能单一，这种燃气报警器成本很低，在很多场合有应用。但这种报警器不能记录燃气浓度，无法让用户在燃气泄漏初期就及时了解燃气浓度的变化趋势，存在监控范围有限、不能远程监控的局限性。
    除了初级的燃气报警器，工业级燃气泄漏监测设备被大量应用在如天然气采集井站、天然气输送管道等工业场所。通常此类设备都是复杂的实时燃气监测报警系统,采用RS-485有线网络或GPRS网络实现大范围的燃气泄漏远程监控，有实时监测、历史曲线查询等多种功能,且具有监测精度高、可靠性好、系统化等诸多优点[2-3]。然而将这种大型工业控制系统移植到各个燃气泄漏的多发场所又困难重重。监控区域范围小而分散、引进成本高、安装或维护成本高等问题尤其突出。
    为了有效减少天然气加气站、液化气站、城市餐馆的厨房等场所由于燃气泄漏导致的损失，加强对燃气泄漏的初期监测是非常有必要的。本文通过对以上小型燃气集中场所中燃气监测需求的分析，提出了一种基于短距离无线/有线通信的燃气监测报警系统。它不仅保持了工业级燃气监测系统的优势,有较高的监测精度、动态曲线显示、历史数据查询和远程监控等功能，而且继承了现有燃气报警器低成本、小型化的传统。在远程监控方面，改用短距离无线通信技术，兼容有线通信来适应复杂的应用环境。此外，该系统还加入了环境温度监控和二级报警的功能，加强监控，提早预警。
1 系统总体方案设计
    本系统主要分为无线/有线燃气监测终端、接收终端和上位机监控平台三部分。系统示意图如图1所示。考虑到小型燃气集中场所中，燃气使用点分散，因此应当在多处隐患点配置燃气监测终端。燃气监测终端不仅实现独立的燃气泄漏报警功能，还将定时采集的燃气浓度和温度数据通过433 MHz无线链路或RS-232有线链路主动上传到上位机。上位机则通过无线接收终端或串口接收数据进而实现动态曲线显示、历史数据查询和报警等功能。根据应用环境的变化，系统中接收终端与燃气监测终端的关系可由一对一转变为一对多。当燃气浓度或环境温度超过预警或报警值时，燃气监测终端能够及时发出本地预警/报警，并且上位机端也能够预警/报警来提醒用户注意燃气使用安全。

以适应单片机的输入电压的采集范围，得到更高的测量精度。为将模拟电压信号数字化以实现对燃气浓度的实时监测,采用ADC转换电路是很有必要的。更重要的是，能把数字化的燃气浓度数据进行线性化校正和补偿处理来保证较高的测量精度[4]。再加上终端系统对数据采集、控制温度采集和报警电路等需求，选用内嵌ADC的8位单片机能很好地实现这些功能，来完成燃气浓度数据的采集、校正补偿和系统控制，既保证测量精度，又保证系统的稳定性和实时性。433 MHz无线收发模块和RS-232有线模块作为通信模块，将数据上传到上位机。独立的电源模块接入市电，完成降压、滤波、稳压等任务，是整个系统的动力源。
    本系统中的器件均选用通用的性价比高的器件，有很强的适用性。因此本系统低成本、小型化、测量精度较高、综合性能好，有很大的应用前景。
2 系统硬件设计
2.1 燃气监测终端硬件设计
    气体传感器选用通用的催化燃烧式气体传感器，具有输出信号线性好、指数可靠、成本低等优点[5]。气体传感电路采用惠斯顿电桥测试电路，当空气中有一定的可燃气体时，探测元件因燃烧而电阻值上升，使得电桥失衡，输出微小电压差。模拟信号处理电路采用典型差分运算放大电路，将气体传感电路输出的微小电压差放大，使放大后的电压差均匀映射到单片机模拟电压的采集范围，以保证测量精度。电路原理图如图3所示。其中，通过可调电阻R12可调节气体传感电路的零点，使电桥平衡。

    温度传感器采用的DS18B20是一种“一线总线”接口芯片，被普遍使用的数字温度传感器。与传统的测温元件相比，它是一种体积小、适用电压宽、与单片机接口简单的数字化温度传感器。其精度高、测温范围宽、抗干扰能力强等优点非常适合本系统测量温度的需求。
    燃气监测终端选用8位单片机STM8S103K3为核心控制器，在燃气浓度数据的数字化和线性化处理工作中起重要作用。该款单片机具有3级流水线的哈佛结构，内置10位ADC，可提供多路复用通道实现模数转换，有UART、SPI和I2C多种通信接口。因此，不论是采集模拟电压信号和数字信号还是搭载多种通信接口的外设，该款单片机都能满足本系统的需求。而且该款单片机具有单线接口模块和调试模块，可以方便地进行在线编程和调试。
    无线发送模块采用常用的433 MHz射频芯片CC1101。CC1101是一款低功耗、集成度高、多通道的高性能无线射频收发芯片，最高数据传输速率可达500 kb/s，特别适合于433 MHz短距离通信设备的无线应用[6]。射频芯片通过SPI接口与单片机相连， 其硬件连接图如图4所示。在SPI工作模式下，单片机为主机模式，射频芯片为从机模式。

2.2 无线接收终端硬件设计
    无线接收终端是以CC1101芯片和通用8051单片机为核心的USB虚拟串口无线数传模块，专用于上位机的无线通信应用[6]。其硬件结构图如图5所示。无线接收终端主要实现数据的汇聚和转发功能，由单片机控制射频芯片接收数据，通过USB虚拟串口与上位机物理连接，将接收到的数据转发到上位机监控平台。

3  软件设计
3.1燃气监测终端发送数据包格式
    燃气监测终端通过通信模块定时主动上传燃气浓度和环境温度数据。在监测区域内，每个终端有唯一的编号。终端周期性地向上位机发送的数据包共有6 B，分别标识终端编号、燃气浓度ADC值、温度值和校验位，其格式定义如表1所示。上位机接收到数据包后，依字节解析出终端的编号并按公式转换成对应的燃气浓度和温度数据。

3.2 燃气监测终端软件设计
    燃气监测终端的软件设计采用STM8S控制器的开发工具STVD编写，编程语言为 C语言。可实现数据采集、数据校正处理、状态指示和报警、上传数据等功能。
　 系统上电后，系统时钟和各模块初始化，单片机定时采集信号处理电路的输出电压转换成ADC值。单片机采取对燃气的ADC值5次取平均的措施防止误警情况的发生。但这种情况下，燃气浓度突增时有遗漏报警的可能，因此单片机在每次采集时都判断是否超到报警值来应对突发情况。最后读取温度数据，将采集到的燃气浓度ADC平均值和温度数据打包处理，以统一的数据包格式通过通信模块发送到上位机。软件流程图如图6所示。

3.3 无线接收终端软件设计
    无线接收终端的软件运行在8051单片机上，主要功能是控制CC1101射频芯片接收数据包，然后通过串口转发到上位机。软件流程图如图7所示。

4 试验结果及监控平台验证
    试验环境设定为甲烷-空气混合气体测试环境。将已调好零点的2台燃气监测报警终端同时终端编号为0x01和0x02，将其放入甲烷气体测试箱，接通电源后打开上位机监控软件。依次向气体测试箱中注入等体积的甲烷，每次注入的甲烷体积约为气体测试箱体积的1‰，通过上位机监控软件可看到2个终端在不同甲烷浓度下的甲烷浓度和测试箱温度[7]。试验结果显示2台终端具有几乎一致的结果曲线，这里仅给出一个终端的曲线图，图8所示为终端编号0x02的试验结果曲线图。测试时上位机监控软件界面如图9所示，图中展示的功能为历史曲线查询。

    分析试验数据可知，本系统的结果曲线具有非常好的线性度，燃气监测精度保持在4%以内，报警点测量精度可控制到3%以内，精度较高，满足了应用的需求。
    上位机监控软件采用Visual Studio 2008作为开发工具。实现对各终端的气体浓度和温度的数据监测、动态曲线绘制、历史数据查询和二级报警提示功能。同时可通过Excel表格数据库对历史数据进行查询、删除、打印等操作。监测报警界面使用C#编程实现，可以实时查看各终端的气体浓度和温度数据及动态曲线。
    本燃气监测与报警系统具有气体浓度和温度数据采集的双重功能，采用短距离无线通信技术，又兼容有线通信应用，且有体积小、成本低、功耗低、安装简单的优点，能够适应复杂的现场环境。上位机监控软件界面友好，功能模块化，易于操作。该系统在有短距离无线通信需求和燃气监测和报警需求的应用领域有着十分独特的优势。
参考文献
[1] 安静怡.基于无线传感器网络的室内燃气监测系统[D].北京:北京邮电大学,2011.
[2] 瞿玉文,艾学忠.城市地下燃气管道泄漏监测报警系统设计[J].吉林化工学院学报,2009，26(2):60-61.
[3] 刘清欣.基于ARM7的可燃气体检测报警仪的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2012.
[4] 朱红梅,惠晓威.基于物联网的智能瓦斯监测系统[J]. 仪表技术与传感器，2012(10):70-72.
[5] 谢望.气体传感器技术的现状和发展趋势[J].仪器仪表用户， 2006,13(5):1-2.
[6] 李晶.基于CC1101的短距离无线通信网络的设计[D].成都:电子科技大学,2011.
[7] 刘从宁, 施云波. 面向氯气安全监测的无线传感网络系统[J].仪表技术与传感器,2012(1):46-48.