0 引言
燃气管道事故大多由燃气泄漏引起，国内外针对燃气泄漏设计了多种燃气监测系统，王尚刚等[1]设计了一种基于数字李生技术的智慧燃气系统,能够实现燃气巡检、应急响应、实时监控等日常活动。MIAO等[2]设计了一种基于压力感知的燃气泄漏监测系统,可以实现燃气泄漏时及时报警的功能。李中阳[3]设计了基于物联网的燃气系统，节约燃气系统资源投入且实现多个厂家、设备的互容互通，促进燃气行业信息化发展。综上，当前针对燃气管理系统设计内容尽管较为广泛，但仍然缺乏实时燃气监测数据传输、远程控制、检测周围环境的功能。燃气具有易燃易爆性特点，燃气设备无法移动,时延不敏感，符合物联网技术应用场景要求[4]。对此，本文提出一种基于物联网的燃气管理系统。此系统可以提高燃气设备数据通信效率，不但具有燃气管道在线监测定位功能，实现无人化监控,并且温度传感器能够监测环境温湿度；系统中应急处理装置能够实时查看数据、远程操作，提高燃气泄漏检测、解决效率。
1智慧燃气管理系统设计
物联网技术是新一代信息技术的重要组成部分，可以在互联网基础上使用末端传感器采集数据。物联网实质上是一种可以实现物与物相互感知的网络，通过信息技术将物与物相互连接，实现数据信息的交互与智能化的管理、监控。
智慧燃气管理系统有助于燃气公司实现实时监测燃气管道运行，在燃气管道内部部署传感器可以有效监测燃气管道内的压力、温湿度等参数，确保燃气安全运行。系统使用物联网技术帮助传感器与平台数据传输提供支持，能够自动采集数据，同时利用云计算分析运行中可能存在的问题，能够可靠地传输数据指令,完成数据收集与分析,达到智能化与自动化的水平，提高燃气管理系统的可靠性，同时实现远程控制。
1.1系统总体框架
基于物联网技术的智慧燃气管理系统主控芯片为STM32F405，系统能够实现信号采集、远程传输、后台计算定位功能,温湿度传感器采用SHT30,燃气
泄漏检测浓度采用MQ5气体传感器。系统结构分为感知层、网络层及应用层，系统总体框架结构如图1所示。感知层通常用于实现物品的感知与物理数据采集，利用各种信息技术对感知层进行构建。智慧燃气管理系统中的感知层通过传感器完成信号采集与处理。在应急处理装置中，传感器可以用于监测环境温湿度、天然气浓度。感知层能够判断燃气泄漏,具有自检功能。网络层通常负责采集数据并通过互联网技术传输到信息处理中心，物联网技术可以优化网络，确保通信通畅稳定。智慧燃气管理系统网络层将物联网技术与其他相关专业技术结合，为感知层应用提供支持。利用物联网将系统指令通信发送至感知层。应用层是使用物联网技术平台的关键，智慧燃气管理系
统中的应用层负责接收网络层数据，定位燃气泄漏位置，并监控不同节点状态，可以实时向用户传递信息，便于维护。
1.2 监测、应急装置系统结构
监测、应急装置系统配备相应LED红灯与用于报警的蜂鸣器，装置包括电源模块、LCD显示模块、温湿度监测模块、可燃气体监测模块、按键模块、应急执行模块[5]。监测和应急装置系统结构如图2 所示。监测和应急装置系统结构能够实时向用户传输燃气管道泄漏的危险信息，用户在第一时间采取措施干预，减少燃气管道泄漏所带来的事故风险[6]。装置系统控制器内资源丰富，信息处理速度快，具有较强的可拓展性能,能够实现系统低能耗运行,使系统更加实用，
图1系统总体框架结构
86丨化灌理第34期2024年12月
图2监测、应急装置系统
节约资源。
装置在工作时，由控制单元（MCU)负责数据上传、处理报警模块，控制单元控制阀门、管道、检测燃气泄漏。当燃气泄漏时，控制单元监测到信号，通过同步进行数据传输、报警，处理装置会及时关闭阀门。装置工作模拟情景如图3所示。
图3装置工作模拟情景
2系统硬件设计
系统感知层包括传感器、主控电路、温湿度采集电路、显示电路等，系统以STM32F405主控芯片作为控制器。为确保控制器能够正常工作，外部用电源电路、复位电路等组合成为一个工作系统，根据 STM32F405的功能要求，对其芯片的I/O引脚进行重新分配，具体如表1所示。
传感器、采集电路、主控设备构成一个传感器节点，传感器节点硬件结构选择STM32F405处理器，输气管道直线区段设立传感器节点，拐点处增设传感器，可以有效判别各分支管道信号。初电源电压设置为
表1STM32F4051/0分配
5V，待稳定后以3.6V持续供电，利用ESP8266无线通信模块使网络正常运行、数据传输，为温湿度传感器模块检测提供支持。MQ5气体传感器初次设定数据呈现在LCD液晶显示屏上，信号超过阈值会发出警报并在第一时间关闭阀门[7]。用户可以随时随地查看现场情况，实现更便捷的监控。
2.1 显示电路
显示电路的主要设备为LCD液晶显示屏，能够显示燃气管道周围实时温度，当单独使用SPI接口时，可以由点脉冲控制也可以进行连续控制，实现快速、准确的显示屏控制[8]。
2.2 传感器
温湿度传感器采用SHT30,在运行过程中可以及时将采集的温度信息传送给单片机，单片机将收集的数据再传输到LCD显示屏上。燃气检测电路传感器选择MQ5,以PCI作为传感器模拟输入口，在应急装置系统中实现数据换算处理。安装传感器时应选择燃气管道的阀门、弯头、管道接缝处，为减少外部环境对传感器的损伤，避免将传感器安装在机械损伤率高与易腐蚀的地点。为确保传感器稳定运行，需定期维护,避免其出现误报与漏报。传感器数据可能存在一定误差，需要定期校准数据，确保数据准确性。
2.3 通信电路
通信信号采集硬件设计如图4所示。通信模块为 ESP8266,STM32F405是逻辑控制器，通信利用单片
机串口通信实现与用户手机端的实时通信，通道同步采样，均以低量程输入（±5V)，采用0PA4340高速运放提高系统采样精度，可以实时向用户发送报警短信[9]。通信电路是为了实现燃气系统终端设备安全和稳定的通信。为确保平台数据传输安全性，采用加密通信系统，提高黑客攻击难度，使系统更加安全。本研究在通信电路中设计了一组物联网通信数据包，数据包包括包头与包体两个部分，包头是数据包的唯一识别号，包体包括多个命令组,每个命令组中有多个命令请求，是物联网终端设备唯一识别号。命令请求主要由命令包、通信参数及判断条件组成，能够承接多个命令。在数据传输过程中，平台发送请求并将其按照请求包组包，传输给物联网终端通信平台。系统将请求包解包并找到对应的识别码与终端进行通信。
图4通信信号采集硬件设计
2.4 报警电路
当燃气浓度达到设定的气体阈值时,LED灯与蜂鸣器在第一时间响应,为改善单片机I/O驱动能力较差的问题,在蜂鸣器中可以增加让报警声音更加响亮的NPN三极管，同时也可以提高报警精准度,避免蜂鸣器误报警[10]。系统通电后，燃气检测电路传感器MQ5启动，实现全天不间断监测燃气浓度。SHT30传感器开始采集周围温湿度数据，与此同时，数据实时显示在LCD液晶屏上,LED灯与蜂鸣器响应后， ESP8266模块立即向用户发送通知短信。报警短信最多包含70个汉字，短信数据储存由短消息服务中心传输。短信成功发送后，信息会同时储存在短信服务
88」化催理 第34期 2024年12月
中心。系统报警功能具有双向数据传输功能，向用户发送报警信息后会得到信息反馈，确保能够将报警信息发送到目标终端。
3系统软件设计
3.1 STM32F405系统软件设计
通电后应用层会向传感器发送指令，在通电的第一时间应判断系统是否接收到相应的指令，接收到指令则按照指令进行下一步工作,未接收到调用指令时需要等到系统预先设定的自检时间，传感器与采集电路开始运行[11]。出现运行故障时,LCD会显示故障信息。达到数据开始采集时间，电路开始运行
采集数据。主控程序主要流程为：系统初始化后，达到设定时间开始自检，当硬件状态正常，就继续运行，如出现故障，将在LCD显示屏上显示故障码，,并上传相应的故障状态。在数据采集、分析，监控区域状态时，当数据正常时，上传正常信号及储存的采集数据，结束主控流程；但当监控区域发现疑似发生燃气泄漏时，控制系统将上传警戒信号并采集数据。
3.2应用层主程序设计
应用层接收服务器数据并判断是否属于泄漏信号，向感知层发送指令让传感器节点进行数据补充，同时计算出燃气泄漏点位置。应用层程序运行包括3个部分：(1)接收数据。系统主要负责接收自检数据与管道状态数据，包括各节点数据、管道数据、泄漏点位置信息等。(2)自检数据。系统内部自行检测数据是否正常。当数据有异常，应用层将发布节点状态异常信息及故障码，储存数据并进入下一个工作循环,数据正常直接发布节点状态信息与管道状态的正常信息，系统储存数据后进入下一个工作循环。(3)管道状态数据。状态正常发布管道状态信息并储存信息，状态异常调用多节点采集数据，进行脚本处理，并标明泄漏点位置,发出警报，储存数据进入下一个工作循环。
3.3监控控制方式
燃气泄漏后声波信号可以传播10km，传感器节点最大监控范围为20km，燃气泄漏声波信号声压为10 dB。但是在燃气泄漏监控实际环境中,受到较多因素影响，例如噪声干扰。所以，监控区域内的传感器应全天24h轮流运行，系统运行时传感器运行一段时间便可启动下一个传感器，不间断采集数据，使监控系统能够全天 24 h 监控,提高监控系统的准确性,传感器轮流工作可以延长监控系统的寿命。
4燃气管理系统节点工作流程
4.1燃气检测装置处理流程
系统启动后，各模块经过初始化过程，电路启动系统运行，燃气检测装置流程如图5所示。在燃气泄漏时LED灯与蜂鸣器响起，向用户发送通知,报警流程将在问题得到解决后退出，回到一般工作状态。
4.2气体传感器工作流程
气体传感器工作流程如图6所示。MQ5天然气传感器装置完成初始化后开始与主控制器协同工作，
通过判断是否执行中断指令启动气体检测，数据显示在LCD显示屏上。当检测完成,将数据上传在云端，返回主程序表示检测完成。
图5燃气泄漏检测装置流程
图6气体传感器工作流程
4.3数据上传流程
系统检测到的数据需要上传云平台，包括传感器检测的环境温湿度与燃气浓度数据等，数据上传流程如图7所示。将通信切换至AP+WiFi模式，收集数据时将数据同步至云端，接收到AT指令代表发送成功，用户可以远程查看系统报警信息，且系统网络覆盖面广，即使业务通信处于高峰，仍然可以顺利传输信息。
图7数据上传子流程
5系统测试模拟实验
模拟实验燃气检测系统中控为STM32F405,通信系统为ESP8266模块，选择TCP+AP模式,TFTlcd显示屏,MP5能够有效检测天然气气体,装置下方蜂鸣器可以警示用户,LCD显示可以实时查看周围环境的情况，传感器LED亮蓝灯时代表系统在正常工作。