【論文精選】燃氣泄漏檢測智能鞋設計
原創(chuàng )
薄軍，等
煤氣與熱力雜志
煤氣與熱力雜志
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GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng )刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學(xué)會(huì )燃氣分會(huì )會(huì )刊。篩選燃氣供熱行業(yè)最有價(jià)值的技術(shù)信息，新聞分類(lèi)整理、政策標準、熱點(diǎn)討論、投稿查詢(xún)、論文檢索、寫(xiě)作指導、編委風(fēng)采、精品會(huì )議……
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作
者：
薄軍，別祖偉
第一作者單位：重慶燃氣集團股份有限公司
摘自《煤氣與熱力》2021年12月刊
可穿戴式智能設備擁有多年的發(fā)展歷史，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，可穿戴式智能設備的形態(tài)開(kāi)始變得多樣化，逐漸在工業(yè)、醫療、軍事、教育、娛樂(lè )、能源等諸多領(lǐng)域表現出重要的研究?jì)r(jià)值和應用潛力
［
1
］
。目前，已經(jīng)出現了各種具有特定功能的智能耳環(huán)、智能手環(huán)、智能鞋等
［
2
］
。
燃氣管網(wǎng)由于其環(huán)境復雜，為了防止燃氣
泄漏
造成嚴重的安全事故，通常需要進(jìn)行人工巡檢，通過(guò)檢測管網(wǎng)上方的氣體環(huán)境判斷有無(wú)燃氣泄漏。目前，由于燃氣管網(wǎng)一般埋于地下，巡檢人員在巡檢燃氣管網(wǎng)時(shí)，通常需要手持燃氣泄漏檢測儀器靠近地面才能準確檢測出燃氣管網(wǎng)的泄漏情況，操作十分不便。另一方面，現有的燃氣泄漏檢測儀器不能儲存檢測結果，不便于今后大數據分析。
鑒于現有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本文設計了一種使用方便、操作簡(jiǎn)單、采集效率高、數據便于保存與分析的可檢測燃氣
泄漏
的智能鞋。
本文研究的可檢測燃氣泄漏的智能鞋，主要實(shí)現泄漏檢測、泄漏報警、實(shí)時(shí)定位、無(wú)線(xiàn)傳輸等功能。
通過(guò)甲烷傳感器采集氣體進(jìn)行分析，當甲烷濃度達到設定的濃度時(shí)，初步判斷有燃氣泄漏，將信息傳至控制器。
控制器收到燃氣泄漏信號后，進(jìn)入報警系統，觸發(fā)蜂鳴器和
LED
燈，提醒工作人員有燃氣泄漏。
通過(guò)
GPS
定位模塊，采集位置信息，同時(shí)結合
RTC
時(shí)鐘模塊記錄該時(shí)間點(diǎn)該位置的泄漏情況。
通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將電量、甲烷濃度、地理位置、報警情況等信息傳遞至手持機并保存。
將燃氣
泄漏檢測
的各個(gè)功能模塊和鞋子有機結合，通過(guò)外觀(guān)設計，達到美觀(guān)、舒適、安全、智能等效果。智能鞋外觀(guān)設計見(jiàn)圖
1
，主要分為鞋體和鞋底兩部分。
鞋體：鞋體側面設置有甲烷傳感器，前端設置有
LED
燈。
鞋底：鞋底內部嵌入有防爆型控制盒，控制盒內設置有控制器、儲存模塊、
RTC
時(shí)鐘模塊、蜂鳴器、
GPS
定位模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源管理模塊等。智能鞋底部采用多層設計見(jiàn)圖
2
。
智能鞋底部采用多層設計，從上到下依次設置有抑菌內襯層、導靜電層和金屬薄板。其中金屬薄板的下表面設置有若干金屬接地板，金屬接地板與金屬薄板配合形成若干隔間，隔間內填充有聚氨酯耐磨塊。該設計不僅能有效防止靜電危害，而且輕巧耐磨，在保證穿戴舒適性的同時(shí)能有效延長(cháng)智能鞋的使用周期。
燃氣泄漏檢測智能鞋硬件設計結構見(jiàn)圖
3
。
控制器采用
TI
公司的
MSP430
單片機，為
16
位單片機，采用精簡(jiǎn)指令集結構，具有豐富的尋址方式，內核指令簡(jiǎn)潔，具有大量的模擬質(zhì)量、處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富等特點(diǎn)
［
3
］
。
傳感器模塊采用型號為
GM-402B
的甲烷傳感器。該傳感器通過(guò)內部電導率變化判斷氣體濃度情況，具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、響應恢復快、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、穩定性好等特點(diǎn)。
GPS
定位模塊選用
SKG08A
，它具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特點(diǎn)。它使用
nmea
協(xié)議或自定義協(xié)議將位置、速度、時(shí)間等一系列信息通過(guò)串行數據記錄。
無(wú)線(xiàn)通信模塊采用
WG219
型號模塊，它是一款基于
ESP8266
芯片的低功耗、小尺寸
UART-WiFi
透傳模塊，符合
IEEE 802.11b/g/n
無(wú)線(xiàn)模塊標準，專(zhuān)為移動(dòng)設備和物聯(lián)網(wǎng)應用設計，滿(mǎn)足大部分的網(wǎng)絡(luò )功能需求。
控制器留有外部接口，通過(guò)該接口與電腦連接，將軟件程序下載到控制器上。
軟件設計系統開(kāi)發(fā)平臺采用
TI
公司的
CCS6
，包含一整套的開(kāi)發(fā)和調試工具，支持
TI
公司的微控制器和嵌入式處理器等系列產(chǎn)品。集成了優(yōu)化的
C/C++
編譯器、編譯器、調試器、描述器以及項目構建環(huán)境。
軟件設計流程見(jiàn)圖
4
。首先，開(kāi)啟電源管理模塊電源，系統對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，讀取位置信息和檢測的甲烷濃度，并將該信息進(jìn)行保存。通過(guò)對比檢測值判斷是否有燃氣泄漏，如有泄漏，發(fā)送報警信號，觸發(fā)蜂鳴器和
LED
燈進(jìn)行鳴叫和亮燈，同時(shí)將泄漏點(diǎn)的
GPS
位置、甲烷濃度、報警響應等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸至手持機進(jìn)行存儲。如未發(fā)現泄漏，繼續進(jìn)行檢測，電源關(guān)閉，檢測結束。
手持機采用智能手機。手持機軟件采用安卓
APP
開(kāi)發(fā)，主要分為登錄界面、實(shí)時(shí)顯示界面和設置界面。
注冊、登錄用戶(hù)名和密碼及驗證，連接數據庫并進(jìn)行比對，同時(shí)與智能鞋無(wú)線(xiàn)通信模塊建立連接。
顯示日期時(shí)間、智能鞋電池電量、無(wú)線(xiàn)信號狀態(tài)、泄漏點(diǎn)
GPS
位置、甲烷濃度、
LED
燈和蜂鳴器響應、歷史報警數據，并提供查詢(xún)功能。
對通信數據、登錄權限、存儲值、報警設置等進(jìn)行修改和設置。
該智能鞋穿著(zhù)同生活用鞋，直接穿著(zhù)，但使用中應注意以下事項：嚴禁鞋體進(jìn)水，盡量避免踩踏水坑；走路過(guò)程對泄漏檢測無(wú)影響，但鞋底后部電子元器件集中，盡量避免用力跳躍和踩踏凹凸硬物；保持鞋面清潔，確保甲烷傳感器信號采集孔不被遮擋，不被污物覆蓋，定期充電保持電量。
燃氣泄漏檢測智能鞋將燃氣泄漏檢測裝置和鞋進(jìn)行有機結合，基本實(shí)現了燃氣泄漏檢測和報警的功能，便于巡檢人員操作。甲烷濃度和
GPS
定位數據可以保存，便于大數據分析，指導后期安全風(fēng)險評估和管道隱患整治。
目前，該智能鞋舒適性、抗撞擊能力、電量續航能力、電路集成度有待進(jìn)一步提高，將在今后逐步改進(jìn)。此外，該研究對其他可穿戴燃氣泄漏檢測設備提供重要參考，包括燃氣泄漏檢測安全帽、工作服、手環(huán)等，特別是對后期成果進(jìn)一步轉化提供參考價(jià)值。
［
1
］徐丹，李文宇，張俊霞
.
可穿戴智能設備領(lǐng)域專(zhuān)利分析［
J
］
.
電信網(wǎng)技術(shù)，
2016
（
1
）：
15-20.
［
2
］封順天
.
可穿戴設備發(fā)展現狀及趨勢［
J
］
.
信息通信技術(shù)，
2014
（
3
）：
52-57.
［
3
］沈建華，楊艷琴，翟驍曙
. MSP430
系列
16
位超低功耗單片機原理與應用［
M
］
.
北京：清華大學(xué)出版社，
2006
：
3-25.
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