【论文精选】燃气泄漏检测智能鞋设计

原创 薄军，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍 《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

官网注册后

http://www.gasheat.cn

免费下载论文

http://www.gasheat.cn/Periodical/index.html

作 者： 薄军，别祖伟

第一作者单位：重庆燃气集团股份有限公司

摘自《煤气与热力》2021年12月刊

1    概述

 

可穿戴式智能设备拥有多年的发展历史，随着互联网技术的高速发展，可穿戴式智能设备的形态开始变得多样化，逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐、能源等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力 ^{［ 1 ］} 。目前，已经出现了各种具有特定功能的智能耳环、智能手环、智能鞋等 ^{［ 2 ］} 。

 

燃气管网由于其环境复杂，为了防止燃气 泄漏 造成严重的安全事故，通常需要进行人工巡检，通过检测管网上方的气体环境判断有无燃气泄漏。目前，由于燃气管网一般埋于地下，巡检人员在巡检燃气管网时，通常需要手持燃气泄漏检测仪器靠近地面才能准确检测出燃气管网的泄漏情况，操作十分不便。另一方面，现有的燃气泄漏检测仪器不能储存检测结果，不便于今后大数据分析。

 

鉴于现有技术中存在的上述问题，本文设计了一种使用方便、操作简单、采集效率高、数据便于保存与分析的可检测燃气 泄漏 的智能鞋。

 

2    功能设计

 

本文研究的可检测燃气泄漏的智能鞋，主要实现泄漏检测、泄漏报警、实时定位、无线传输等功能。

 

①泄漏检测

 

通过甲烷传感器采集气体进行分析，当甲烷浓度达到设定的浓度时，初步判断有燃气泄漏，将信息传至控制器。

 

②泄漏报警

 

控制器收到燃气泄漏信号后，进入报警系统，触发蜂鸣器和 LED 灯，提醒工作人员有燃气泄漏。

 

③实时定位

 

通过 GPS 定位模块，采集位置信息，同时结合 RTC 时钟模块记录该时间点该位置的泄漏情况。

 

④无线传输

 

通过无线通信模块将电量、甲烷浓度、地理位置、报警情况等信息传递至手持机并保存。

 

3    外观设计

 

将燃气 泄漏检测 的各个功能模块和鞋子有机结合，通过外观设计，达到美观、舒适、安全、智能等效果。智能鞋外观设计见图 1 ，主要分为鞋体和鞋底两部分。

 

图 1    智能鞋外观设计

 

鞋体：鞋体侧面设置有甲烷传感器，前端设置有 LED 灯。

 

鞋底：鞋底内部嵌入有防爆型控制盒，控制盒内设置有控制器、储存模块、 RTC 时钟模块、蜂鸣器、 GPS 定位模块、无线通信模块、电源管理模块等。智能鞋底部采用多层设计见图 2 。

 

图 2    智能鞋底部多层设计

 

智能鞋底部采用多层设计，从上到下依次设置有抑菌内衬层、导静电层和金属薄板。其中金属薄板的下表面设置有若干金属接地板，金属接地板与金属薄板配合形成若干隔间，隔间内填充有聚氨酯耐磨块。该设计不仅能有效防止静电危害，而且轻巧耐磨，在保证穿戴舒适性的同时能有效延长智能鞋的使用周期。

 

4    硬件设计

 

燃气泄漏检测智能鞋硬件设计结构见图 3 。

 

图 3    硬件设计结构

 

主要模块设计如下。

 

①控制器

 

控制器采用 TI 公司的 MSP430 单片机，为 16 位单片机，采用精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，内核指令简洁，具有大量的模拟质量、处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点 ^{［ 3 ］} 。

 

②传感器模块

 

传感器模块采用型号为 GM-402B 的甲烷传感器。该传感器通过内部电导率变化判断气体浓度情况，具有尺寸小、功耗低、灵敏度高、响应恢复快、驱动电路简单、稳定性好等特点。

 

③ GPS 定位模块

 

GPS 定位模块选用 SKG08A ，它具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特点。它使用 nmea 协议或自定义协议将位置、速度、时间等一系列信息通过串行数据记录。

 

④无线通信模块

 

无线通信模块采用 WG219 型号模块，它是一款基于 ESP8266 芯片的低功耗、小尺寸 UART-WiFi 透传模块，符合 IEEE 802.11b/g/n 无线模块标准，专为移动设备和物联网应用设计，满足大部分的网络功能需求。

 

5    软件设计

 

控制器留有外部接口，通过该接口与电脑连接，将软件程序下载到控制器上。

 

①智能鞋软件设计

 

软件设计系统开发平台采用 TI 公司的 CCS6 ，包含一整套的开发和调试工具，支持 TI 公司的微控制器和嵌入式处理器等系列产品。集成了优化的 C/C++ 编译器、编译器、调试器、描述器以及项目构建环境。

 

软件设计流程见图 4 。首先，开启电源管理模块电源，系统对各个模块进行初始化，读取位置信息和检测的甲烷浓度，并将该信息进行保存。通过对比检测值判断是否有燃气泄漏，如有泄漏，发送报警信号，触发蜂鸣器和 LED 灯进行鸣叫和亮灯，同时将泄漏点的 GPS 位置、甲烷浓度、报警响应等信息通过无线通信传输至手持机进行存储。如未发现泄漏，继续进行检测，电源关闭，检测结束。

 

图 4    软件设计流程

 

②手持机软件设计

 

手持机采用智能手机。手持机软件采用安卓 APP 开发，主要分为登录界面、实时显示界面和设置界面。

 

a. 登录界面

 

注册、登录用户名和密码及验证，连接数据库并进行比对，同时与智能鞋无线通信模块建立连接。

 

b. 实时显示界面

 

显示日期时间、智能鞋电池电量、无线信号状态、泄漏点 GPS 位置、甲烷浓度、 LED 灯和蜂鸣器响应、历史报警数据，并提供查询功能。

 

c. 设置界面

 

对通信数据、登录权限、存储值、报警设置等进行修改和设置。

 

6    使用注意事项

 

该智能鞋穿着同生活用鞋，直接穿着，但使用中应注意以下事项：严禁鞋体进水，尽量避免踩踏水坑；走路过程对泄漏检测无影响，但鞋底后部电子元器件集中，尽量避免用力跳跃和踩踏凹凸硬物；保持鞋面清洁，确保甲烷传感器信号采集孔不被遮挡，不被污物覆盖，定期充电保持电量。

 

7    结语

 

燃气泄漏检测智能鞋将燃气泄漏检测装置和鞋进行有机结合，基本实现了燃气泄漏检测和报警的功能，便于巡检人员操作。甲烷浓度和 GPS 定位数据可以保存，便于大数据分析，指导后期安全风险评估和管道隐患整治。

 

目前，该智能鞋舒适性、抗撞击能力、电量续航能力、电路集成度有待进一步提高，将在今后逐步改进。此外，该研究对其他可穿戴燃气泄漏检测设备提供重要参考，包括燃气泄漏检测安全帽、工作服、手环等，特别是对后期成果进一步转化提供参考价值。

参考文献：

［ 1 ］徐丹，李文宇，张俊霞 .  可穿戴智能设备领域专利分析［ J ］ .  电信网技术， 2016 （ 1 ）： 15-20.

 

［ 2 ］封顺天 .  可穿戴设备发展现状及趋势［ J ］ .  信息通信技术， 2014 （ 3 ）： 52-57.

 

［ 3 ］沈建华，杨艳琴，翟骁曙 . MSP430  系列  16  位超低功耗单片机原理与应用［ M ］ .  北京：清华大学出版社， 2006 ： 3-25.

 

（本文责任编辑：刘灵芝）

维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）

日前，《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站 http://cqvip.com/ 开通论文免费下载服务，论文刊出后两个月后，可在维普网站查询，并直接免费下载。在维普网站 免费下载《煤气与热力》论文 步骤如下：

1. 在维普网站注册会员。

2. 搜索出《煤气与热力》论文，点击进入。

3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”，可直接下载该论文。

声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。 PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！

更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。