[摘要]为改善燃气管道传统的过于单一的监测方式，更好地实现实时远程维护管道安全，设计了一款基于嵌入式技术的智能燃气管道监测控制系统。本系统以STM32单片机为控制核心，在STM32上移植了FreeRTOS实时操作系统及STemWin图形界面系统，并引入无线通信模块实现对管道天然气各监测点的温度、压力、位置等数据的传输，实现对管道燃气各监测点工作状态的实时监控及远程控制。经显示数据与现场对比，表明该系统工作稳定，达到设计要求。
[关键词]STM32；实时操作系统；图形界面系统；无线传输；监测
引言
随着人们生活水平的提高和城市经济的快速发展，燃气是工业生产、人民生活中的重要资源，燃气管道是天然气的主要运输手段。由于燃气的易燃易爆特性，实时监测管道天然气状态，改善传统机械触点式控制系统，实现远程、快速、准确报告处理泄漏事故就显得尤为重要，管道安全已经变成公共安全和人身安全的重大问题。针对上述问题，本文进行了管道实时监测技术的研究，采用STM32单片机为核心器件，通过实时操作系统FreeRTOS植入，实现多任务管理，实现温度、压力、位置等模拟数据的实时监测与数据显示，当有泄露事故出现时则迅速报警，准确显示事故地点，启动相关补救动作。管道实时监测技术的研究对维护天然气管道安全，保障居民人身财产安全有着重大意义。
1系统组成
燃气管道监测系统主要由微处理器（STM32F4单片机）、BME280传感器（温度和大气压力传感器）、继电器模块、TFTLCD显示屏、NB-IoT无线模块、物联网云平台及终端设备组成。系统设备具有显示各监测点温度压力数据、显示监测点位置、远程控制阀门、远程监控等功能。系统采用TFTLCD触摸屏控制及云平台控制。管道配备的LCD触摸屏可实时显示管道燃气温度、压力信息，同时通过单片机配备的无线模块将各监测点的参数状态信息（与LCD上显示一致的信息）发送给云平台。工作人员可通过云平台远程实时监测到各监测点数据信息，当信息异常，数据超出设定阀值时，云平台即刻报警并显示故障点位置。工作人员可通过云平台触动继电器远程关闭故障阀门，避免事故的发生。本系统实现了对燃气管网远程分布式全天候监控，并可在云平台查看各数值历史数据曲线，分析数据动态，体现了燃气管道监控的智能化。
2系统硬件设计
2.1单片机模块
该系统采用Cortex-M4为内核的STM32F407作为核心器件。STM32F407微处理器具有低成本、缩减的引脚数目、较低的系统功耗等优点，为新一代的嵌入式ARM处理器。STM32F407运行频率最高可为168MHz，有192kb的SRAM，对于外设具有更快速的A/D转换速度，有32位定时器，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统。丰富的资源及广泛的硬件和软件开发工具，使得STM32微控制器成为实现燃气监测系统的理想方案[1]。
2.2传感器模块
本系统信号采集采用BME280传感器。BME280可以实时测量气体压力和温度，同时它还具有I2C总线的接口，便于单片机进行访问。BME280是集成式环境传感器，满足移动应用对小尺寸和低功耗的关键设计要求，具有多功能、高精度、小尺寸、低功耗、方便使用等特点。该器件结合了压力和温度传感器：压力传感器是绝对气压传感器，具有极高的精度、高分辨率和极低噪声；集成的温度传感器针对极低噪声和高分辨率进行了优化。BME280同时提供I2C和SPI通信协议，可以方便快捷地搭建产品原型，且支持一系列完整的工作模式，灵活地优化了器件的功率消耗、分辨率和滤波器性能，适用于燃气管道监测系统。本系统将BME280模块接高电平，片选I2C通信接口，I2C总线标准是两线(SDA、SCL)、双向串行、多主控接口，在它的协议体系中，数据传输的同时会附带目的设备的地址，因此可以实现各设备组网。
2.3显示屏模块
本系统采用STM32F4单片机外接TFTLCD电容触摸屏模块实现数据显示，ATK-4.3′TFTLCD电容触摸屏分辨率为800×480，16位真彩显示，支持5点同时触摸。TFTLCD电容触摸屏模块自带驱动，单片机可轻易驱动TFTLCD电容触摸屏显示数据。电容触摸屏由驱动芯片来检测电容触摸，并通过I2C接口输出数据。触摸屏模块与单片机进行驱动模块中断输出信号INT、复位信号RST、I2C的SCL和SDA信号连接。通过执行A/D转换检测被触碰操作的位置，具有很好的操控体验，为当前广泛使用的LCD显示器[2]。
2.4无线传输模块
为了有效地将数据传输到上位机，该系统采用了NB-IoT无线网络代替传统的GPRS传输。NB-IoT具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。该系统应用USR-NB700-BA模块，采用网络透传模式将NB-IoT设备的信息传送到透传云服务器，再根据设备ID进行数据的传递，操作简单的AT指令设置，完成数据透明、双向、远程的无线传输。
3系统软件设计
3.1单片机软件设计
本系统将STM32单片机连接设备，利用传感技术将温度压力信号转变为电路信号，将数据显示在触摸屏上，并通过无线传输方式实现数据远程传递。系统上电后对各硬件模块的驱动进行程序开发，初始化CPU、串口、温度和压力传感器模块、TFTLCD电容触摸屏模块、继电器模块及NB-IoT无线模块，再利用FreeRTOS实时操作系统对每个工作任务进行开发，包括温度压力检测任务、LCD显示及按键扫描任务、无线通信任务、继电器控制阀门任务等。
3.2实时操作系统和图形界面系统移植
本系统以STM32微处理器为核心器件，植入FreeRTOS实时操作系统。STM32单片机的编程方式无法满足信号的采集、控制、传输等实时性较高的要求，所以需要植入实时操作系统实现多任务管理。FreeRTOS系统占用空间小，不限任务数量和优先级，支持Keil编译器编译，可在多种芯片上进行移植[4]。单片机植入FreeRTOS实时操作系统，使控制系统中各监测点的数据显示与控制划分为独立任务，由操作系统对系统资源进行分配，并根据任务优先级完成对任务的调度。其中，调度任务为系统初始化、温度压力监测、数据显示、无线通信、继电器控制等。单片机连接TFTLCD触摸屏，通过移植STemWin图形库，可在屏幕上设计图形界面。STemWin图形库富含丰富的开发小工具，可设计出很多控件界面，适用于本系统所选用的TFTLCD电容触摸屏。
3.3数据处理
单片机连接TFTLCD电容触摸屏模块，MCU发送显示数据到驱动电路上，驱动电路进而再将这些数据不断地扫描到显示器上，显示器接收MCU的数据完成各监测点数据的本地显示。单片机采集传输控制器与温度压力传感器通过RS485进行总线通信，当完成各温度压力传感器采集数据解析后，STM32通过串口将AT数据包发送给NB-IoT无线模块，从而实现远程发送。NB-IoT接收到STM32串口数据，通过UDP协议上传给透传云服务器。使用NB-IoT前，首先对其进行参数配置和功能测试，通过配置软件将NB-IoT设置为CMD工作模式，并设置透传云的IP地址和端口号。NB-IoT上电后发送AT指令，配置软件收到“OK”，NB-IoT则可以正常通信，实现数据远程传递[5]。
3.4数据可视化
监控平台通过NB-IoT透传云提供的应用程序接口登录透传云，将无线模块发送的数据转发给监控平台。平台软件根据自定义的通信协议解析数据，并将数据显示到人机交互界面并储存。管理人员可查询相关数据及其变化曲线。当有报警时，交互界面发出颜色警报，同时可操作界面按钮进行远程阀门操作。通过模拟实际燃气管道监测系统，读取并对比相关数据，证明了系统的稳定性与可靠性。系统实时数据监测界面如图6所示。图6中共分为三种状态：图a表示系统初始状态，在云端分别显示两个监测点的温度和压力数据；图b表示当管道温度发生变化时，系统马上检测到数据异常，故障监测点在云端报警，并在地图上显示报警警示；图c表示历史数据，工作人员可通过云端查询参数数据相应数值及变化曲线。
4总结
综上所述，本文对基于STM32的燃气管道监测系统进行了方案设计，以STM32为核心单片机，植入FreeRTOS实时操作系统，移植STemWin图形界面系统。通过传感技术，以无线传输方式为基础，实现了对燃气管道相关数据的本地显示，同时采用云平台显示、储存数据，实现了燃气监测的远程实时可视化管理。此监测系统的设计具有很大的实用价值和社会意义，对维护天然气管道安全具有重大意义。
参考文献：
[1]张洋.精通STM32F4库函数版［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2015.
[2]宋慧文.智能饮水机嵌入式控制系统设计[J].软件导刊，2019(2):91-95.
[3]吴正平,张兆蒙,李东.基于NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现[J].传感器与微系统,2019（38）:93-95.
[4]刘海洋.基于FreeRTOS与机电传感器的人体辅助机械臂系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2019(8)：65-67.
[5]刘啸松.基于云平台的物联网温湿度监控系统[J].新技术应用与实践,2019:141-142.
作者:马丽 吴鹏飞 高波 朱志清 单位:河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心 河北水利电力学院 东光县昊能天然气有限公司
