室內(nèi)溫濕度及燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：家庭安全一直是人們關注和擔心的話題。隨著社會的進步，人民生活質(zhì)量不斷提高，家庭安全問題卻愈發(fā)嚴重?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的室內(nèi)溫濕度和燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握室內(nèi)的溫濕度狀況，并在溫度過高或可燃氣體(一氧化碳)濃度過高時自動報警，能夠盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，為人們的家庭安全保駕護航。
關鍵詞：溫濕度；燃氣泄露；監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡

0 引言
    隨著科技的進步，人們的生活和工作環(huán)境得到了很大程度的改善，尤其是近年來物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，為向人們提供更加人性化的服務奠定了堅實的基礎。
    家庭安全一直是人們關注和擔心的話題。隨著社會的進步和人民生活質(zhì)量的不斷提高，家庭安全問題卻愈發(fā)嚴重。近年來，我國各地煤氣中毒、爆炸事故時有發(fā)生，在日常生活中，使用燃氣不當造成燃氣泄漏、人員中毒傷亡的事故更是屢見不鮮。尤其在冬季，人們在室內(nèi)往往緊閉門窗，造成空氣不流通，室內(nèi)溫度過高，一旦室內(nèi)燃氣泄漏，就極易達到爆炸極限，造成嚴重的事故。

1 系統(tǒng)結構
    室內(nèi)溫濕度和燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)由無線溫濕度傳感器節(jié)點、無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點、一氧化碳濃度監(jiān)測節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡中繼、智能接入網(wǎng)關等組成，是一種穩(wěn)定、可靠的實時監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。無線溫濕度傳感器節(jié)點、無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點、一氧化碳濃度監(jiān)測節(jié)點能夠定期采集溫濕度、可燃氣體濃度和一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，通過無線方式直接發(fā)送或通過無線傳感器網(wǎng)絡中繼轉(zhuǎn)發(fā)到智能接入網(wǎng)關，然后由網(wǎng)關將無線數(shù)據(jù)重新打包成后臺服務器能夠識別的格式，發(fā)給后臺服務器。圖1所示是本系統(tǒng)的系統(tǒng)架構圖。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案
2．1 無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)
    本系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)示意圖如圖2所示。該無線局域網(wǎng)由智能接入網(wǎng)關、無線傳感器網(wǎng)絡中繼以及監(jiān)測傳感器節(jié)點三級設備組成。一個無線傳感器網(wǎng)絡中繼與多個終端節(jié)點之間為星狀網(wǎng)絡結構，多個中繼之間將形成MESH網(wǎng)絡，其中智能接入網(wǎng)關以GPRS通訊方式實現(xiàn)無線局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的接入。該系統(tǒng)具有兩層網(wǎng)絡，即下層的星型網(wǎng)絡和上層的MESH網(wǎng)絡。

2．2 系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模
    借用蜂窩覆蓋中的計算方法，可以保守計算系統(tǒng)的組網(wǎng)規(guī)模。假設無線傳感器網(wǎng)絡中繼的穩(wěn)定覆蓋半徑為50 m，那么覆蓋一個500～600 m半徑的圓形區(qū)域需要169～217個無線傳感器網(wǎng)絡中繼，每個無線傳感器網(wǎng)絡中繼可以接入64個終端節(jié)點，組網(wǎng)可以達到萬點級規(guī)模。
2．3 網(wǎng)絡實時性分析
    同樣，根據(jù)蜂窩覆蓋的方法可進行無線傳感器網(wǎng)絡中繼部署，500～600 m半徑的圓形區(qū)域的全覆蓋所形成的MESH網(wǎng)絡深度小于等于8，每個無線中繼的鄰居同級節(jié)點小于等于6，每個無線中繼的數(shù)據(jù)傳輸速率保守設計為100 Kb／s，那么，通過計算，以每個終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)包長為50 B，實時性要求為5 min計算，該系統(tǒng)最多可以支持1 562個點同時發(fā)生濃度過高告警。

3 系統(tǒng)節(jié)點
    本系統(tǒng)可以附帶無線溫濕度傳感器節(jié)點、無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點、一氧化碳濃度監(jiān)測節(jié)點，各節(jié)點體積小巧，并可以任意擺放；可設定溫濕度、可燃氣體濃度、一氧化碳濃度的閾值，超過閾值則自動報警；節(jié)點超低功耗設計，并可自動負載均衡，內(nèi)置高性能鋰亞電池，可連續(xù)工作5年以上。
    系統(tǒng)中的無線中繼、網(wǎng)關設備可以即插即用，無需布線施工，維護成本低：可自動組網(wǎng)、自維護、網(wǎng)絡連接可視，全天候穩(wěn)定運行，無需人工干涉；整個系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)絡擴展能力，可隨意增加和減少采集終端數(shù)量，同一網(wǎng)絡中可支持上千個終端節(jié)點；系統(tǒng)中的上位機軟件可以按分鐘設定信息采集時間間隔，能保證及時準確的記錄、分析數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；采集終端組成的無線網(wǎng)絡可獨立工作，無需繳納任何信息費。
3．1 無線溫濕度傳感器節(jié)點
   圖3所示是無線溫濕度傳感器節(jié)點的實物圖。該節(jié)點可以定時采集溫度、濕度，通過自組織WSN無線網(wǎng)絡，將采集的數(shù)據(jù)實時匯聚到無線網(wǎng)關，從而實現(xiàn)對整個WSN網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的溫度、濕度的監(jiān)測。

    無線溫濕度傳感器節(jié)點的技術參數(shù)如下：
    無線頻段為433 MHz；無線發(fā)射功率為20 dBm；無線傳輸速率為115 kb／s：無線傳輸距離(Free air)為300 m；天線傳輸阻抗為50 Ω；天線接口為SMA；供電方式為鋰電池；功耗為小于等于10 mW。
    功能特性：
    測量范圍：溫度為-40～120℃，濕度為0～99％RH；測量精度：溫度為±0．4℃，濕度為±3％RH。
    傳感器特性：
    傳感器類型為1路溫度、1路濕度；接口數(shù)量為2路；外形尺寸為95 mm×71 mm×53 mm；封裝材料為ABS；工作溫度為-10～50℃；工作濕度為0～99％RH。
3．2 無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點
    圖4所示是無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點LTS420的實物圖。該節(jié)點具有自身報警特點，可以滿足一般家庭目前使用的天然氣、煤氣、CO等監(jiān)測工作；產(chǎn)品內(nèi)還具無線傳輸模塊，可對數(shù)字信號、模擬信號和開關量信號進行采集，與無線智能接入網(wǎng)關共同組成MESH無線傳感器網(wǎng)絡，并可通過無線自組網(wǎng)方式將采集的數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關。

    無線可燃氣體濃度監(jiān)測節(jié)點LTS420的技術指標如下：
    無線頻段為433 MHz；無線發(fā)射功率為20 dBm；無線傳輸速率為250 kb／s；無線傳輸距離(Free air)為150～250 m；天線傳輸阻抗為50 Ω：天線接口為SMA；供電方式為外接電源；工作電壓為220 V AC；功耗為正常監(jiān)視小于等于4．0 W，報警狀態(tài)小于等于5．0 W。
    監(jiān)測功能如下：
    報警方式：現(xiàn)場聲光報警；
    報警響度：>70 dB；
    報警濃度：天然氣報警濃度大于500 ppm，液化石油氣報警濃度大干500 ppm，一氧化碳報警濃度大于50 ppm；
    響應時間：0～30 min；
    傳感器類型：1路天然氣濃度，1路液化石油氣濃度，1路一氧化碳濃度；
    接口數(shù)量：3路；
    防護等級：IP65；
    外形尺寸：120mm×72mm×42mm；
    封裝材料：ABS；
    工作溫度：-10～50℃；
    工作濕度：0～90％RH。
3．3 無線傳感器網(wǎng)絡中繼
    圖5所示為無線傳感器網(wǎng)絡中繼LTS821實物圖。在無線通訊范圍內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡中繼LTS821在上電后可立即加入網(wǎng)絡，建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚陕窂剑和瑫r匯集無線傳感器節(jié)點傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)信息，并通過自組織的2．4 GHz MESH網(wǎng)絡上傳至無線網(wǎng)關。因此，該節(jié)點可以配合無線傳感器節(jié)點，廣泛應用到各種需要監(jiān)測的場所。該中繼節(jié)點的主要技術參數(shù)如下：

    無線頻段為24GHz／433MHz；無線發(fā)射功率為10～17 dBm；無線傳輸速率為250 kb／s；天線傳輸阻抗為50Ω；天線接口為SMA；電源為外接電源；電壓為220 V；電流小于300 mA；工作溫度為-20～70℃；工作濕度為5％～95％RH；外形尺寸為152 mm×86 mm×42 mm；外殼材質(zhì)為鋁材。
3．4 智能接入網(wǎng)關
    圖6所示是系統(tǒng)中的智能接入網(wǎng)關。智能接入網(wǎng)關是物聯(lián)網(wǎng)架構中的關鍵設備，融合了多種有線及無線的通訊技術和接口技術，通過它可實現(xiàn)各種終端設備的合法接入，并實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的聚合、處理、分發(fā)功能。智能接入網(wǎng)關可廣泛應用于城市管理、安全管控、應用管理、節(jié)能減排、工業(yè)監(jiān)控、交通、物流等領域。

    系統(tǒng)中智能接入網(wǎng)關的技術參數(shù)如下：
    無線頻段為2．4 GHz；無線發(fā)射功率為17 dBm；無線傳輸速率為250 Kb／s；無線傳輸距離(Free air)為300 m；數(shù)據(jù)傳輸接口為USB接口、RJ45接口、GPRS傳輸接口、RS232接口、TD—LTE接口、WIFI接口；天線傳輸阻抗為50 Ω；天線接口為SMA。
    智能接入網(wǎng)關具有GPS功能和授時功能。
    監(jiān)測傳感器參數(shù)如下：
    接口數(shù)量為6路；支持接口類型為RS232，RS485，0～10 V，4～20 mA，開關信號；電源為外接電源；工作電壓為9～36 V；工作電流小于200 mA；工作溫度為-20～70℃；工作濕度為5％～95％RH；外形尺寸為190 mm×160 mm×54 mm；外殼材質(zhì)為鋁材。

4 結語
    基于物聯(lián)網(wǎng)技術的室內(nèi)溫濕度和燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握室內(nèi)溫濕度狀況，并可在溫度過高、可燃氣體濃度或一氧化碳濃度過高時自動報警，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，為我們的家庭安全保駕護航。