室内温湿度及燃气泄露监测系统

摘要：家庭安全一直是人们关注和担心的话题。随着社会的进步，人民生活质量不断提高，家庭安全问题却愈发严重。基于物联网技术的室内温湿度和燃气泄露监测系统能够实时掌握室内的温湿度状况，并在温度过高或可燃气体(一氧化碳)浓度过高时自动报警，能够尽早发现问题并及时处理，为人们的家庭安全保驾护航。
关键词：温湿度；燃气泄露；监测系统；无线传感器网络

0 引言
    随着科技的进步，人们的生活和工作环境得到了很大程度的改善，尤其是近年来物联网的出现和快速发展，为向人们提供更加人性化的服务奠定了坚实的基础。
    家庭安全一直是人们关注和担心的话题。随着社会的进步和人民生活质量的不断提高，家庭安全问题却愈发严重。近年来，我国各地煤气中毒、爆炸事故时有发生，在日常生活中，使用燃气不当造成燃气泄漏、人员中毒伤亡的事故更是屡见不鲜。尤其在冬季，人们在室内往往紧闭门窗，造成空气不流通，室内温度过高，一旦室内燃气泄漏，就极易达到爆炸极限，造成严重的事故。

1 系统结构
    室内温湿度和燃气泄露监测系统由无线温湿度传感器节点、无线可燃气体浓度监测节点、一氧化碳浓度监测节点、无线传感器网络中继、智能接入网关等组成，是一种稳定、可靠的实时监测网络系统。无线温湿度传感器节点、无线可燃气体浓度监测节点、一氧化碳浓度监测节点能够定期采集温湿度、可燃气体浓度和一氧化碳浓度数据，通过无线方式直接发送或通过无线传感器网络中继转发到智能接入网关，然后由网关将无线数据重新打包成后台服务器能够识别的格式，发给后台服务器。图1所示是本系统的系统架构图。

2 系统组网方案
2．1 无线局域网的组网
    本系统的无线局域网的组网示意图如图2所示。该无线局域网由智能接入网关、无线传感器网络中继以及监测传感器节点三级设备组成。一个无线传感器网络中继与多个终端节点之间为星状网络结构，多个中继之间将形成MESH网络，其中智能接入网关以GPRS通讯方式实现无线局域网与广域网的接入。该系统具有两层网络，即下层的星型网络和上层的MESH网络。

2．2 系统组网规模
    借用蜂窝覆盖中的计算方法，可以保守计算系统的组网规模。假设无线传感器网络中继的稳定覆盖半径为50 m，那么覆盖一个500～600 m半径的圆形区域需要169～217个无线传感器网络中继，每个无线传感器网络中继可以接入64个终端节点，组网可以达到万点级规模。
2．3 网络实时性分析
    同样，根据蜂窝覆盖的方法可进行无线传感器网络中继部署，500～600 m半径的圆形区域的全覆盖所形成的MESH网络深度小于等于8，每个无线中继的邻居同级节点小于等于6，每个无线中继的数据传输速率保守设计为100 Kb／s，那么，通过计算，以每个终端节点采集的数据包长为50 B，实时性要求为5 min计算，该系统最多可以支持1 562个点同时发生浓度过高告警。

3 系统节点
    本系统可以附带无线温湿度传感器节点、无线可燃气体浓度监测节点、一氧化碳浓度监测节点，各节点体积小巧，并可以任意摆放；可设定温湿度、可燃气体浓度、一氧化碳浓度的阈值，超过阈值则自动报警；节点超低功耗设计，并可自动负载均衡，内置高性能锂亚电池，可连续工作5年以上。
    系统中的无线中继、网关设备可以即插即用，无需布线施工，维护成本低：可自动组网、自维护、网络连接可视，全天候稳定运行，无需人工干涉；整个系统具有良好的网络扩展能力，可随意增加和减少采集终端数量，同一网络中可支持上千个终端节点；系统中的上位机软件可以按分钟设定信息采集时间间隔，能保证及时准确的记录、分析数据，而且系统稳定可靠；采集终端组成的无线网络可独立工作，无需缴纳任何信息费。
3．1 无线温湿度传感器节点
   图3所示是无线温湿度传感器节点的实物图。该节点可以定时采集温度、湿度，通过自组织WSN无线网络，将采集的数据实时汇聚到无线网关，从而实现对整个WSN网络覆盖范围内的温度、湿度的监测。

    无线温湿度传感器节点的技术参数如下：
    无线频段为433 MHz；无线发射功率为20 dBm；无线传输速率为115 kb／s：无线传输距离(Free air)为300 m；天线传输阻抗为50 Ω；天线接口为SMA；供电方式为锂电池；功耗为小于等于10 mW。
    功能特性：
    测量范围：温度为-40～120℃，湿度为0～99％RH；测量精度：温度为±0．4℃，湿度为±3％RH。
    传感器特性：
    传感器类型为1路温度、1路湿度；接口数量为2路；外形尺寸为95 mm×71 mm×53 mm；封装材料为ABS；工作温度为-10～50℃；工作湿度为0～99％RH。
3．2 无线可燃气体浓度监测节点
    图4所示是无线可燃气体浓度监测节点LTS420的实物图。该节点具有自身报警特点，可以满足一般家庭目前使用的天然气、煤气、CO等监测工作；产品内还具无线传输模块，可对数字信号、模拟信号和开关量信号进行采集，与无线智能接入网关共同组成MESH无线传感器网络，并可通过无线自组网方式将采集的数据汇集到网关。

    无线可燃气体浓度监测节点LTS420的技术指标如下：
    无线频段为433 MHz；无线发射功率为20 dBm；无线传输速率为250 kb／s；无线传输距离(Free air)为150～250 m；天线传输阻抗为50 Ω：天线接口为SMA；供电方式为外接电源；工作电压为220 V AC；功耗为正常监视小于等于4．0 W，报警状态小于等于5．0 W。
    监测功能如下：
    报警方式：现场声光报警；
    报警响度：>70 dB；
    报警浓度：天然气报警浓度大于500 ppm，液化石油气报警浓度大干500 ppm，一氧化碳报警浓度大于50 ppm；
    响应时间：0～30 min；
    传感器类型：1路天然气浓度，1路液化石油气浓度，1路一氧化碳浓度；
    接口数量：3路；
    防护等级：IP65；
    外形尺寸：120mm×72mm×42mm；
    封装材料：ABS；
    工作温度：-10～50℃；
    工作湿度：0～90％RH。
3．3 无线传感器网络中继
    图5所示为无线传感器网络中继LTS821实物图。在无线通讯范围内，无线传感器网络中继LTS821在上电后可立即加入网络，建立数据传输的路由路径：同时汇集无线传感器节点传输的所有数据信息，并通过自组织的2．4 GHz MESH网络上传至无线网关。因此，该节点可以配合无线传感器节点，广泛应用到各种需要监测的场所。该中继节点的主要技术参数如下：

    无线频段为24GHz／433MHz；无线发射功率为10～17 dBm；无线传输速率为250 kb／s；天线传输阻抗为50Ω；天线接口为SMA；电源为外接电源；电压为220 V；电流小于300 mA；工作温度为-20～70℃；工作湿度为5％～95％RH；外形尺寸为152 mm×86 mm×42 mm；外壳材质为铝材。
3．4 智能接入网关
    图6所示是系统中的智能接入网关。智能接入网关是物联网架构中的关键设备，融合了多种有线及无线的通讯技术和接口技术，通过它可实现各种终端设备的合法接入，并实现不同类型数据的聚合、处理、分发功能。智能接入网关可广泛应用于城市管理、安全管控、应用管理、节能减排、工业监控、交通、物流等领域。

    系统中智能接入网关的技术参数如下：
    无线频段为2．4 GHz；无线发射功率为17 dBm；无线传输速率为250 Kb／s；无线传输距离(Free air)为300 m；数据传输接口为USB接口、RJ45接口、GPRS传输接口、RS232接口、TD—LTE接口、WIFI接口；天线传输阻抗为50 Ω；天线接口为SMA。
    智能接入网关具有GPS功能和授时功能。
    监测传感器参数如下：
    接口数量为6路；支持接口类型为RS232，RS485，0～10 V，4～20 mA，开关信号；电源为外接电源；工作电压为9～36 V；工作电流小于200 mA；工作温度为-20～70℃；工作湿度为5％～95％RH；外形尺寸为190 mm×160 mm×54 mm；外壳材质为铝材。

4 结语
    基于物联网技术的室内温湿度和燃气泄露监测系统能够实时掌握室内温湿度状况，并可在温度过高、可燃气体浓度或一氧化碳浓度过高时自动报警，以便尽早发现问题并及时处理，为我们的家庭安全保驾护航。