智能燃氣表與可燃氣體探測器聯(lián)動控制方案

俞建明， 厲晶瑩， 沈曉東， 石愛國， 宋莎莎，程 顥， 唐玲玲， 王穎嘉

(1. 杭州天然氣有限公司， 浙江 杭州 310017； 2.杭州先鋒電子技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310052)

1 概述

燃氣使用安全性對用戶至關(guān)重要，因居民廚房燃氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了重大損失[1-2]。2021年我國天然氣事故有309起，對61起天然氣用戶事故分析發(fā)現(xiàn)，天然氣泄漏事故占比14.8%。市場上大多可燃氣體探測器與智能燃氣表無聯(lián)動作用，僅有獨立報警功能，發(fā)生燃氣泄漏時，不能及時通知智能燃氣表關(guān)閉內(nèi)置閥門。若可燃氣體探測器與智能燃氣表間采用有線連接，智能燃氣表的安裝位置已固定，會涉及現(xiàn)場布線問題，尤其對已裝修用戶，安裝方式受限，改造成本大。因此，本文提出智能燃氣表與可燃氣體探測器的聯(lián)動控制方案。

2 聯(lián)動控制方案

智能燃氣表與可燃氣體探測器之間通過藍牙連接，智能燃氣表內(nèi)置低功耗藍牙從機模塊，可燃氣體探測器內(nèi)置低功耗藍牙主機模塊，此方案通信功耗小、成本低、通信范圍廣。當可燃氣體探測器探測到工作環(huán)境中的氣體濃度超標時，向智能燃氣表發(fā)送報警信息，智能燃氣表的閥門模塊動作，控制內(nèi)置閥門關(guān)閉，切斷燃氣，防止事故發(fā)生。智能燃氣表內(nèi)部設(shè)置NB-IoT通信模塊，與燃氣公司服務(wù)器連接，將異常信息上傳到燃氣公司服務(wù)器，提示管理人員查看與管理維修。

2.1 智能燃氣表

智能燃氣表是采用NB-IoT通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸和交換的膜式燃氣表，主要由基表、控制器、附加裝置組成。控制器是智能燃氣表的電子控制部分，由微控制器、液晶顯示模塊、電源管理模塊、蜂鳴器報警模塊、存儲模塊、采樣計量模塊、防拆保護模塊、閥門控制模塊、NB-IoT通信模塊和藍牙從機模塊組成[3]。因此，該智能燃氣表具有燃氣計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、高可靠性防拆保護、信息遠程交互和安全管理等功能。此外，該智能燃氣表控制器中具有藍牙低功耗協(xié)議，可以通過藍牙與其他設(shè)備(手機、帶藍牙的可燃氣體探測器等)聯(lián)動，進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 可燃氣體探測器

可燃氣體探測器由外殼、電源線和控制器組成。控制器是可燃氣體探測器的電子控制部分，主要包括微控制器、按鍵模塊、傳感器模塊、指示燈模塊、液晶顯示模塊、藍牙主機模塊、蜂鳴器報警模塊、存儲模塊、電源管理模塊[3]。

可燃氣體探測器可采用36 V及以下直流電或220 V交流電供電。若采用36 V及以下直流電供電，由可燃氣體探測器的控制器供電，且電源管理模塊應(yīng)有極性反接的保護措施。傳感器模塊探測工作環(huán)境中的可燃氣體，將探測信號用模擬量或數(shù)字量傳遞給微控制器。當可燃氣體濃度超過微控制器設(shè)定值時，指示燈模塊指示紅色報警狀態(tài)，蜂鳴器報警模塊進行鳴叫，只有故障解除或通過按鍵模塊按鍵消聲才能關(guān)閉鳴叫。液晶顯示模塊實時顯示工作環(huán)境中被測氣體的濃度，也可提示可燃氣體探測器異常等狀態(tài)?？刂破髦性O(shè)有藍牙低功耗協(xié)議，具有藍牙通信功能，藍牙主機模塊與智能燃氣表的藍牙從機模塊建立連接，保證智能燃氣表與可燃氣體探測器通過藍牙進行信息交互，交互信息存儲在可燃氣體探測器的存儲模塊中。

氣體傳感器影響可燃氣體探測器性能。常見的氣體傳感器按檢測原理分為半導(dǎo)體型、接觸燃燒型、電化學(xué)型和紅外型，其中半導(dǎo)體型傳感器具有壽命長、穩(wěn)定性好、零點漂移小、環(huán)境影響小、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于可燃氣體探測器中[4]。傳感器輸出錯誤會導(dǎo)致可燃氣體探測器誤報[5]，誤報原因主要是烹飪、裝修等產(chǎn)生的干擾氣體和工作環(huán)境變化。比如，廚房烹飪用到料酒，料酒內(nèi)含體積分數(shù)10%～15%的酒精，可能導(dǎo)致誤報[6]；廚房使用的殺蟲劑中含有丙烷或異丁烷，也可能產(chǎn)生誤報?？紤]到家用可燃氣體探測器定期維護、定期標定工作量大，宜采用抗干擾性好的傳感器，比如半導(dǎo)體型傳感器，且傳感器應(yīng)符合GB/T 34004—2017《家用和小型餐飲廚房用燃氣報警器及傳感器》。

2.3 藍牙模塊工作流程

智能燃氣表和可燃氣體探測器之間通過藍牙通信，藍牙傳輸信道為2.4 GHz，藍牙協(xié)議版本為4.2。當智能燃氣表、可燃氣體探測器、藍牙主機模塊、藍牙從機模塊均處于正常工作狀態(tài)時，借助藍牙配對APP(以下簡稱APP)將藍牙主機模塊和藍牙從機模塊綁定。APP綁定流程為：APP獲取智能燃氣表的藍牙MAC地址，APP發(fā)送獲取的智能燃氣表藍牙MAC地址，設(shè)置到可燃氣體探測器，可燃氣體探測器根據(jù)配置的藍牙MAC地址發(fā)起連接。

智能燃氣表和可燃氣體探測器連接流程：智能燃氣表的藍牙從機模塊周期性向可燃氣體探測器的藍牙主機模塊發(fā)送連接指令?？扇細怏w探測器的藍牙主機模塊接收到藍牙從機模塊發(fā)送的藍牙連接指令后，將指令傳輸給控制器進行數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)解析成功后，藍牙主機模塊向藍牙從機模塊發(fā)送連接指令應(yīng)答正確，藍牙從機模塊配合完成連接，智能燃氣表顯示成功連接。藍牙主、從機模塊完成連接后，要進行數(shù)據(jù)通信還需要進行驗證。可燃氣體探測器和智能燃氣表的通信采用實時連接方式，智能燃氣表定期同步可燃氣體探測器的狀態(tài)、濃度、壽命等信息(同步間隔10 min)，同時監(jiān)測可燃氣體探測器的在線狀態(tài)。當工作環(huán)境中燃氣濃度大于設(shè)定值時，可燃氣體探測器會立即發(fā)出報警指示(蜂鳴器鳴叫、指示燈指示)，通過可燃氣體探測器的藍牙主機模塊將報警信號發(fā)送給智能燃氣表的藍牙從機模塊，智能燃氣表接收到報警信息后立即關(guān)閉閥門，并顯示相關(guān)錯誤碼。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)傳輸中使用AES128加密算法，補齊對齊位數(shù)為128位，即16字節(jié)，加密內(nèi)容為數(shù)據(jù)域內(nèi)容，補齊算法使用PKCS7Padding算法。

3 試掛分析

杭州天然氣有限公司對采用聯(lián)動報警方案的18套智能燃氣表和可燃氣體探測器進行試掛。

3.1 智能燃氣表和可燃氣體探測器的測試

首先對智能燃氣表和可燃氣體探測器進行實驗室測試。智能燃氣表無報警信息、無故障、通信正常且在線率均為100%，滿足燃氣公司計量需求和燃氣用戶使用要求?？扇細怏w探測器按鍵消聲、天然氣報警功能正常，支持APP配置MAC地址?？扇細怏w探測器的抗干擾氣體性能應(yīng)該滿足GB/T 34004—2017第5.1.3.6款的要求，在體積分數(shù)為0.6%的乙醇和體積分數(shù)為0.1%的乙酸干擾下，3 min內(nèi)不應(yīng)發(fā)出報警信號。

對體積分數(shù)為0.6%的乙醇干擾進行測試，采用2種測試方案。方案1是將乙醇體積分數(shù)大于10%的500 mL料酒加熱后，查看可燃氣體探測器是否會報警；方案2是將乙醇體積分數(shù)為42%的500 mL白酒加熱后，查看可燃氣體探測器是否會報警。2種測試方案下，可燃氣體探測器應(yīng)均符合要求，不報警。對體積分數(shù)為0.1%的乙酸干擾進行測試：將總酸質(zhì)量濃度大于6.5 g/mL的500 mL陳醋加熱后，查看可燃氣體探測器是否會報警?？扇細怏w探測器也應(yīng)符合要求，不報警。

3.2 可燃氣體探測器的安裝位置

應(yīng)安裝在使用燃氣的房間內(nèi)，且位于燃氣易泄漏部位附近。

檢測天然氣(比空氣輕)時，可燃氣體探測器應(yīng)安裝在距屋頂約30 cm，且距燃具等易泄漏部位水平距離0.5～6.0 m 范圍內(nèi)。

檢測液化石油氣(比空氣重)時，可燃氣體探測器應(yīng)安裝在距地面30 cm 以內(nèi)，且距燃具等易泄漏部位水平距離0.5～4.0 m 范圍內(nèi)。

可燃氣體探測器在臥室中使用時，應(yīng)安裝在距離地面100～120 cm 以內(nèi)。

3.3 試掛分析

試掛從2021年12月至2022年5月，共計180 d。對日采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，抄表成功率為100%。試掛期間，可燃氣體探測器顯示無異常狀態(tài)，未報警。智能燃氣表內(nèi)部設(shè)置NB-IoT通信模塊，具有覆蓋良好、低功耗、速率高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。智能燃氣表的待機時間可達10 a。智能燃氣表與可燃氣體探測器之間的藍牙連接，是否會對智能燃氣表功耗產(chǎn)生影響，是用戶關(guān)心的問題。因此抽查10臺智能燃氣表進行電壓測試，結(jié)果見表1。

表1 10臺智能燃氣表電壓測試結(jié)果

由表1可知，智能燃氣表試掛180 d后，電池電量有所減少，但電量剩余比例均大于90%，因此得出結(jié)論：智能燃氣表與可燃氣體探測器之間的藍牙連接對智能燃氣表功耗影響較小。