基于LoRa 技术的村镇天然气泄漏检测系统

陈易然，杨大志（通信作者），杨宗泽，刘轲

（四川轻化工大学 机械工程学院，四川宜宾，644000）

0 引言

2017 年国家发改委、国家能源局等十部委联合印发《北方地区冬季清洁取暖规化（2017-2022 年）》（后文统称《规化》），在华北及周边的“2+26”个城市的农村地区推动“煤改气”[1]。但是关于农村天热气使用安全却仍然存在很多问题[2]。随着物联网的LoRa 技术在无线传感领域的发展和普及，远距离、低功耗且稳定性强的无线网络需求得到满足,针对村镇居住分散，网络覆盖率低及天然气安全管理系统不完善的特点，设计一套适用于村镇的燃气泄漏报警通讯机制。该系统克服了WiFi 在村镇数据通讯差和传统报警器警报范围受限的缺陷，大大提高燃气安全报警功效，使村镇燃气事故预防工作网络化、智能化，具有广阔的现实意义及商业价值。

1 系统的总体设计方案

天然气泄漏检测及火灾报警系统的系统结构如图1 所示，系统由终端节点、集中器以及监控端组成。系统首先由多个终端节点通过LoRa 无线传感器组成具有多跳临时自治能力的自组mesh 网络[3]。在自组网中，系统以LoRa 无线传感网为媒介，经过多跳或单跳，将终端节点采集的信息发送到集中器（sink）。然后集中器通过万维网及移动通信技术，把汇总的信息提交到监控端以及个人移动端。监控端会对收到的数据进行处理，并储存在数据库以便查询。

图1 系统总体结构

终端节点：该系统设计的终端节点以STM32F103c8t6芯片为控制核心，结合了多种传感器及电磁阀等外部执行元件。它不仅是一个独立的主机，具有数据采集、声光报警、阀门控制的功能，还具有路由器功能。每个终端节点之间可相互通信，多个终端节点共同构成一个混合网络。

集中器：集中器在整个系统中不仅起到信息汇聚及承接的作用，它同时起到网关的作用，系统通过集中器连入外部Internet 网络。因此，对集中器的数据处理及传输能力比终端节点具有更高的要求。

监控端：监控端也是应用服务器，分为PC 端的监控平台及手机端的应用平台。在系统中，集中器会将所有的终端节点信息发送到PC 端服务器，也会把相应节点的信息发送到对应的手机端。接收到的数据会在应用服务器进行重构，并保存到Sqlite 数据库。从而使系统可以实现实时监控及历史查询的功能。

2 系统硬件设计

本文研究系统报警系统的硬件设计，主要利用AD9 电路板设计软件，结合数电模电技术，设计终端节点电路原理图。系统硬件的结构图如图2所示，主要包括电源、主控芯片、传感器模块、报警模块、电磁阀模块、通信模块。

图2 系统硬件结构

■2.1 终端节点硬件设计

终端节点用于采集环境中燃气浓度及火灾信息，并在超过阈值时发出声光报警并触发电磁阀动作，切断燃气回路[4]。终端节点的结构框图如图3 所示，其中组成终端节点的部分主要有：STM32 最小系统、电源电路、电磁阀驱动电路、通信电路、传感器电路、声光报警电路。

图3 终端节点结构框图

■2.2 STM32F103c8t6 最小系统电路

终端节点的STM32F103c8t6 最小系统电路如图4 所示，可以用于实现一个单片机的基本功能，同时在其他未被占用的引脚扩展外围电路。

图4 STM32F103c8t6最小系统电路原理图

其中，引脚PC14 及PC15 经过倍频后为MCU 提供STM32 芯片所需的32.768 kHz 主频。同时系统选用8MHz的外部时钟晶振Y2，再通过芯片内集成的锁相环PULL 对内部时钟进行倍频，然后为外部电路提供所需的时钟信号。BOOT0 及BOOT1 则用来配置启动方式。另外，调试接口采用标准的JTAG 接口用程序烧录及仿真。

■2.3 终端节点通信电路

终端节点的通信电路设计主要是用于终端与网关进行自组网通信的LoRa 模块外围电路。选择了ATK-LORA-01_V3.0 LoRa 串口模块作为该报警系统的自组网通信模块，ATK-LORA-01_V3.0模块的实物如图5所示。工作电压3.3～5 V，工作频段410MHz～441 MHz，功率为100 mW。LoRa模块电路原理图如图6 所示。

图5 LoRa 模块实物图

图6 LoRa 模块外围电路

ATK-LORA-01_V3.0模块中的VCC连接+5V电源，GND接地。MD0 与PB13 引脚相连为输入引脚，用于配置ATK-LORA-01_V3.0 为参数设置模式，还可以与AUX 引脚配合使ATK-LORA-01_V3.0 进入固件升级状态。AUX 与引脚PB12 连接，即可作为输入引脚又可以作为输出引脚。AUX 引脚既可以配合MD0 使模块进入固件升级模式，又可以指示模块工作状态，唤醒外部MCU。TXD 与RXD 引脚为串口输入输出引脚，TXD 连接STM32F103c8t6 芯片的PB10 引脚，RXD 连接PB11 引脚。但是要注意模块的输入引脚应连接芯片的输出引脚，模块的输出引脚应连接芯片的输入引脚。

3 系统软件设计

■3.1 终端节点主程序

终端节点主程序用于完成终端节点MCU 及外围设备配置及初始化，然后调用各模块子程序实现信息采集、阀门控制、报警及无线传输等功能。其中，终端节点主程序流程如图7 所示。

图7 终端节点主程序

在程序执行时，首先检测模块是否安装成功，然后对系统主控芯片及各模块完成初始化工作，如果模块不存在，则延时等待重新初始化，再次检测。如果模块存在，则休眠MCU，等待中断事件唤醒，等中断事件执行完成后，MCU 将再次休眠。程序中的中断事件包括：数据采集事件、声光报警事件、LoRa 数据发送事件、继电器控制事件。中断事件唤醒MCU 后，会采集传感器数据，然后检查采集到的数据是否超过设置的燃气浓度阈值，如果超过阈值，则执行声光报警及继电器控制中断处理函数，提醒用户发现燃气泄漏或火灾事件。然后唤醒LoRa 模块，把采集到的数据通过LoRa 无线传输发送到集中器[5]。如果采集到得数据没有超过阈值，则直接发送数据，然后ATK-LORA-01 进入低功耗模式。

■3.2 监控端软件设计

监控端软件是为管理者及用户准备的图形用户界面，使用C++编程语言开发软件开发使用的平台则为跨平台开发软件QT。使用QT 编写的程序经过选择不同的工具箱，能够直接适用于Windows 系统及Android 系统。在该系统中监控端软件分为PC 部分及移动端部分，分别用于监控所有终端节点及单个用户节点。

PC 端的主界面如图8 所示。在PC 端主界面中，可以查看组网中的所有用户数据，包括用户ID、地址、燃气浓度、温度、状态信息。当检测的数据超过设定阈值时，便会显示当前状态（正常、泄漏、火灾）。

图8 PC 端主界面

报警系统的移动端是一款为用户开发的Android 系统app，开发环境同样为QT 平台。移动端具有用户实时数据监控、报警、控制燃气阀门及报警消声的功能，可以保证用户远距离实时监控家庭燃气安全。通信模块接入移动端的方式与PC 端类似，只是移动端与集中器的连接方式不再是TCP 连接而是采用GPRS 通信。在GPRS 对应的串口打开后要进行SIM 卡配置，首先，设置移动端类型,通过透明方式接入网络，然后设置设备的接入点确定网络接入类型以及GPRS 附着业务，最后设置SIM 设备的本地端口。当GPRS模块相应的准备设置完成后，便可以进行数据传输。

4 结论

燃气泄漏不仅容易引发火灾，对个人及家庭带来危害，严重的燃气泄漏事故还会对社会产生一定影响。天燃气泄漏检测及火灾报警系统可以及时发现燃气泄漏及火灾事故的发生，及时通知救援人员对事故采取相应的救援措施。本系统实现的基于物联网LoRa 技术的村镇天然气泄漏检测及火灾报警系统，不仅能解决传统有线报警系统布线复杂的问题，还解决了现有无线报警系统对网络覆盖要求高的问题，可以广泛应用于村镇等其他网络覆盖率低的场景，对降低事故的发生概率起到一定的作用。