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[摘要]為改善燃氣管道傳統的過于單一的監測方式，更好地實現實時遠程維護管道安全，設計了一款基于嵌入式技術的智能燃氣管道監測控制系統。本系統以STM32單片機為控制核心，在STM32上移植了FreeRTOS實時操作系統及STemWin圖形界面系統，并引入無線通信模塊實現對管道天然氣各監測點的溫度、壓力、位置等數據的傳輸，實現對管道燃氣各監測點工作狀態的實時監控及遠程控制。經顯示數據與現場對比，表明該系統工作穩定，達到設計要求。

[關鍵詞]STM32；實時操作系統；圖形界面系統；無線傳輸；監測

引言

隨著人們生活水平的提高和城市經濟的快速發展，燃氣是工業生產、人民生活中的重要資源，燃氣管道是天然氣的主要運輸手段。由于燃氣的易燃易爆特性，實時監測管道天然氣狀態，改善傳統機械觸點式控制系統，實現遠程、快速、準確報告處理泄漏事故就顯得尤為重要，管道安全已經變成公共安全和人身安全的重大問題。針對上述問題，本文進行了管道實時監測技術的研究，采用STM32單片機為核心器件，通過實時操作系統FreeRTOS植入，實現多任務管理，實現溫度、壓力、位置等模擬數據的實時監測與數據顯示，當有泄露事故出現時則迅速報警，準確顯示事故地點，啟動相關補救動作。管道實時監測技術的研究對維護天然氣管道安全，保障居民人身財產安全有著重大意義。

1系統組成

燃氣管道監測系統主要由微處理器（STM32F4單片機）、BME280傳感器（溫度和大氣壓力傳感器）、繼電器模塊、TFTLCD顯示屏、NB-IoT無線模塊、物聯網云平臺及終端設備組成。系統設備具有顯示各監測點溫度壓力數據、顯示監測點位置、遠程控制閥門、遠程監控等功能。系統采用TFTLCD觸摸屏控制及云平臺控制。管道配備的LCD觸摸屏可實時顯示管道燃氣溫度、壓力信息，同時通過單片機配備的無線模塊將各監測點的參數狀態信息（與LCD上顯示一致的信息）發送給云平臺。工作人員可通過云平臺遠程實時監測到各監測點數據信息，當信息異常，數據超出設定閥值時，云平臺即刻報警并顯示故障點位置。工作人員可通過云平臺觸動繼電器遠程關閉故障閥門，避免事故的發生。本系統實現了對燃氣管網遠程分布式全天候監控，并可在云平臺查看各數值歷史數據曲線，分析數據動態，體現了燃氣管道監控的智能化。

2系統硬件設計

2.1單片機模塊

該系統采用Cortex-M4為內核的STM32F407作為核心器件。STM32F407微處理器具有低成本、縮減的引腳數目、較低的系統功耗等優點，為新一代的嵌入式ARM處理器。STM32F407運行頻率最高可為168MHz，有192kb的SRAM，對于外設具有更快速的A/D轉換速度，有32位定時器，同時提供了卓越的計算性能和先進的中斷響應系統。豐富的資源及廣泛的硬件和軟件開發工具，使得STM32微控制器成為實現燃氣監測系統的理想方案[1]。

2.2傳感器模塊

本系統信號采集采用BME280傳感器。BME280可以實時測量氣體壓力和溫度，同時它還具有I2C總線的接口，便于單片機進行訪問。BME280是集成式環境傳感器，滿足移動應用對小尺寸和低功耗的關鍵設計要求，具有多功能、高精度、小尺寸、低功耗、方便使用等特點。該器件結合了壓力和溫度傳感器：壓力傳感器是絕對氣壓傳感器，具有極高的精度、高分辨率和極低噪聲；集成的溫度傳感器針對極低噪聲和高分辨率進行了優化。BME280同時提供I2C和SPI通信協議，可以方便快捷地搭建產品原型，且支持一系列完整的工作模式，靈活地優化了器件的功率消耗、分辨率和濾波器性能，適用于燃氣管道監測系統。本系統將BME280模塊接高電平，片選I2C通信接口，I2C總線標準是兩線(SDA、SCL)、雙向串行、多主控接口，在它的協議體系中，數據傳輸的同時會附帶目的設備的地址，因此可以實現各設備組網。

2.3顯示屏模塊

本系統采用STM32F4單片機外接TFTLCD電容觸摸屏模塊實現數據顯示，ATK-4.3′TFTLCD電容觸摸屏分辨率為800×480，16位真彩顯示，支持5點同時觸摸。TFTLCD電容觸摸屏模塊自帶驅動，單片機可輕易驅動TFTLCD電容觸摸屏顯示數據。電容觸摸屏由驅動芯片來檢測電容觸摸，并通過I2C接口輸出數據。觸摸屏模塊與單片機進行驅動模塊中斷輸出信號INT、復位信號RST、I2C的SCL和SDA信號連接。通過執行A/D轉換檢測被觸碰操作的位置，具有很好的操控體驗，為當前廣泛使用的LCD顯示器[2]。

2.4無線傳輸模塊

為了有效地將數據傳輸到上位機，該系統采用了NB-IoT無線網絡代替傳統的GPRS傳輸。NB-IoT具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。該系統應用USR-NB700-BA模塊，采用網絡透傳模式將NB-IoT設備的信息傳送到透傳云服務器，再根據設備ID進行數據的傳遞，操作簡單的AT指令設置，完成數據透明、雙向、遠程的無線傳輸。

3系統軟件設計

3.1單片機軟件設計

本系統將STM32單片機連接外圍設備，利用傳感技術將溫度壓力信號轉變為電路信號，將數據顯示在觸摸屏上，并通過無線傳輸方式實現數據遠程傳遞。系統上電后對各硬件模塊的驅動進行程序開發，初始化CPU、串口、溫度和壓力傳感器模塊、TFTLCD電容觸摸屏模塊、繼電器模塊及NB-IoT無線模塊，再利用FreeRTOS實時操作系統對每個工作任務進行開發，包括溫度壓力檢測任務、LCD顯示及按鍵掃描任務、無線通信任務、繼電器控制閥門任務等。

3.2實時操作系統和圖形界面系統移植

本系統以STM32微處理器為核心器件，植入FreeRTOS實時操作系統。STM32單片機的編程方式無法滿足信號的采集、控制、傳輸等實時性較高的要求，所以需要植入實時操作系統實現多任務管理。FreeRTOS系統占用空間小，不限任務數量和優先級，支持Keil編譯器編譯，可在多種芯片上進行移植[4]。單片機植入FreeRTOS實時操作系統，使控制系統中各監測點的數據顯示與控制劃分為獨立任務，由操作系統對系統資源進行分配，并根據任務優先級完成對任務的調度。其中，調度任務為系統初始化、溫度壓力監測、數據顯示、無線通信、繼電器控制等。單片機連接TFTLCD觸摸屏，通過移植STemWin圖形庫，可在屏幕上設計圖形界面。STemWin圖形庫富含豐富的開發小工具，可設計出很多控件界面，適用于本系統所選用的TFTLCD電容觸摸屏。

3.3數據處理

單片機連接TFTLCD電容觸摸屏模塊，MCU發送顯示數據到驅動電路上，驅動電路進而再將這些數據不斷地掃描到顯示器上，顯示器接收MCU的數據完成各監測點數據的本地顯示。單片機采集傳輸控制器與溫度壓力傳感器通過RS485進行總線通信，當完成各溫度壓力傳感器采集數據解析后，STM32通過串口將AT數據包發送給NB-IoT無線模塊，從而實現遠程發送。NB-IoT接收到STM32串口數據，通過UDP協議上傳給透傳云服務器。使用NB-IoT前，首先對其進行參數配置和功能測試，通過配置軟件將NB-IoT設置為CMD工作模式，并設置透傳云的IP地址和端口號。NB-IoT上電后發送AT指令，配置軟件收到“OK”，NB-IoT則可以正常通信，實現數據遠程傳遞[5]。

3.4數據可視化

監控平臺通過NB-IoT透傳云提供的應用程序接口登錄透傳云，將無線模塊發送的數據轉發給監控平臺。平臺軟件根據自定義的通信協議解析數據，并將數據顯示到人機交互界面并儲存。管理人員可查詢相關數據及其變化曲線。當有報警時，交互界面發出顏色警報，同時可操作界面按鈕進行遠程閥門操作。通過模擬實際燃氣管道監測系統，讀取并對比相關數據，證明了系統的穩定性與可靠性。系統實時數據監測界面如圖6所示。圖6中共分為三種狀態：圖a表示系統初始狀態，在云端分別顯示兩個監測點的溫度和壓力數據；圖b表示當管道溫度發生變化時，系統馬上檢測到數據異常，故障監測點在云端報警，并在地圖上顯示報警警示；圖c表示歷史數據，工作人員可通過云端查詢參數數據相應數值及變化曲線。

4總結

綜上所述，本文對基于STM32的燃氣管道監測系統進行了方案設計，以STM32為核心單片機，植入FreeRTOS實時操作系統，移植STemWin圖形界面系統。通過傳感技術，以無線傳輸方式為基礎，實現了對燃氣管道相關數據的本地顯示，同時采用云平臺顯示、儲存數據，實現了燃氣監測的遠程實時可視化管理。此監測系統的設計具有很大的實用價值和社會意義，對維護天然氣管道安全具有重大意義。

參考文獻：

[1]張洋.精通STM32F4庫函數版［M］.北京：北京航空航天大學出版社,2015.

[2]宋慧文.智能飲水機嵌入式控制系統設計[J].軟件導刊，2019(2):91-95.

[3]吳正平,張兆蒙,李東.基于NB-IoT智能水表抄表系統設計與實現[J].傳感器與微系統,2019（38）:93-95.

[4]劉海洋.基于FreeRTOS與機電傳感器的人體輔助機械臂系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2019(8)：65-67.

[5]劉嘯松.基于云平臺的物聯網溫濕度監控系統[J].新技術應用與實踐,2019:141-142.

作者:馬麗 吳鵬飛 高波 朱志清 單位:河北省工業機械手控制與可靠性技術創新中心 河北水利電力學院 東光縣昊能天然氣有限公司