基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的制作方法

本发明属于燃气安全监测领域，具体涉及一种基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统。

背景技术：

1、燃气作为一种易燃易爆能源，其在户内的泄漏现象普遍存在，不仅造成资源浪费，更严重威胁到用户的生命财产安全。目前，检测户内燃气泄漏的主要检查方案及存在的问题详见表1。

2、

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的技术方案，通过连续多日的用气时段分布规律来找到用户非用气时间段，非用气时间段可能有多个，在这些非用气时间段中找到时间跨度最长的那个时间段，作为燃气泄漏检测窗口期；在窗口期内执行关阀命令形成管段封闭空间，并检测燃气管道压力变化趋势，根据压力变化趋势结合分级预警方案作出及时预警反应。

2、所述的基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统，其特征在于包括物联网智能燃气表和后台系统，物联网智能燃气表的mcu处理器通过连续多日的用气时段分布规律来找到用户非用气时间段，非用气时间段有一个或多个，在这些非用气时间段中找到时间跨度最长的那个时间段，作为燃气泄漏检测窗口期；如果没有找到窗口期，则也会通过物联网智能燃气表的通讯单元向后台系统发送分级预警信息，物联网智能燃气表的mcu处理器仍然会持续查找窗口期；找到窗口期后，在窗口期内，物联网智能燃气表的显示单元显示“自检中”字样，物联网智能燃气表的阀门控制单元控制阀门关闭，形成后封闭管道；物联网智能燃气表的压力温度检测单元记录封闭管道内的温度和压力数据，物联网智能燃气表的mcu处理器根据温度和压力数据计算得出管道内的压力变化率；物联网智能燃气表的mcu处理器根据上一步获得的压力变化率与存储在物联网智能燃气表的存储单元的分级预警信息相对比，判断当前燃气是否处于泄漏状态以及泄漏分级；若物联网智能燃气表的mcu处理器判断没有出现燃气泄漏，则在燃气泄漏检测窗口期后向物联网智能燃气表的阀门控制单元下发开阀命令，阀门打开，不影响用户的正常用气；若物联网智能燃气表的mcu处理器判断出现燃气泄漏，即使过了燃气泄漏检测窗口期也不下发开阀命令，阀门保持检测时的关阀状态，物联网智能燃气表的通讯单元立即向后台系统发送分级预警信息，后台系统向用户发送预警信息，并通知燃气公司派遣检修人员上门安检。

3、所述的基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统，其特征在于所述物联网智能燃气表包括mcu处理器、压力温度检测单元、阀门控制单元、时钟单元、存储单元、计量单元、通讯单元、显示单元，压力温度检测单元、阀门控制单元、时钟单元、存储单元、计量单元、通讯单元、显示单元与mcu处理器连接，

4、mcu处理器：将采集到的各单元数据存入存储单元，分析用户用气习惯；窗口期如发现异常后，通过通讯单元及时上报预警信息，控制阀门控制单元关阀，将表具工作状态通过显示单元显示；

5、压力温度检测单元：收集户内管道的温度和压力数据，并上传至mcu处理器；

6、阀门控制单元：接收mcu处理器下发的信号，控制阀门开启或关闭；

7、时钟单元：按年、按月、按日、按时、按分向mcu处理器提供各功能单元工作时间；

8、存储单元：存储mcu处理器预处理后的温度、压力、流量、时间信息；存储预设的参数，用于系统分析使用；

9、通讯单元：接收mcu处理器下发的燃气泄漏告警信号，向后台系统发送相应的泄漏告警信息；接收后台系统下发的指令；

10、计量单元：通过计量传感器记录用气数据，mcu处理器记录并分析这些数据；

11、显示单元：显示表具工作状态。

12、所述基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

13、s0：后台系统登记用气设施和用户信息，然后下发开户指令；

14、s1：开户前存储单元存储预设信息，包括采样周期和修正压强阈值；

15、s2：开户后计量单元配合时钟单元记录用户用气时间，计算用户非用气时间，存储至存储单元；

16、s3：根据第m天和第m+1天两天用户非用气时间段，获取公共用户非用气时间；

17、s4：若无法获取非用气时间段，在第m+2天再次获取当天用户非用气时间，重复步骤s3，若k仍无法获取非用气时间段，则上报“未知泄漏”信息，后台联系客户排查异常；

18、s5：若获取到非用气时间段，计算前后两天公共用户非用气时间段时长；

19、s6：以7天为周期，纵向对比判断相邻周期的同一天用户非用气时间段是否能够作为用户在每个周期中的这一天这个时段的非用气时间，即燃气检测窗口期；

20、s7：开户第一个周期后，mcu处理器判断当天是否存在燃气泄漏检测窗口期，开始检测用户当天的燃气泄漏情况，压力温度检测单元开始读取封闭管道内的压强和温度数据；如显示单元在检测窗口期内显示“自检中”字样，用户在此期间按键开阀用气，则立即执行s8；

21、s8：通过修正压强差与燃气泄漏压强差阈值对比，判断为严重泄漏还是存在微小泄漏；

22、s9：修正压强差超过阈值，mcu处理器判断存在严重泄漏，立即关阀，上报告警信息，后台系统执行应急预案；

23、s10：修正压强差未超过阈值，存在微小泄漏隐患，通过多组数据利用最小二乘法拟合的直线，通过斜率大小判断是否存在微小泄漏。

24、所述的基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的实现方法，其特征在于具体步骤如下：

25、s100：当物联网智能燃气表安装在用户家中后，需要在后台系统登记用户家中的用气设施，包括但不限单眼灶具、双眼灶具、燃气热水器、壁挂炉；当物联网智能燃气表在后台登记用户信息后，后台系统下发开户指令或者其他代表开户的指令；

26、s101：物联网智能燃气表预设参数包括：

27、 xp为公共非用气时间最长时间间隔，单位为分钟，详见s105；为了节省功耗同时兼顾温压采样次数不低于3次，温度和压力数据采样周期t可配置，当时，温度和压力数据采样周期为t，默认2分钟；当 xp>20时，温度和压力数据采样周期为t，默认5分钟；因温度对压力的影响，设定管道压力最大变动范围为一个阈值 ，需要根据用户管道管径、表具类型和压力传感器检测精度综合判断并设置该阈值；

28、s102：当时钟单元内置时钟过零点，mcu处理器开始记录用气状态，若零点计量单元没有数据增加时，计零点为，若零点有数据增加时，则计零点为，当计量单元开始有计量数据时，mcu控制单元记录用气起始时间，当计量单元没有计量数据时，mcu控制单元记录用气结束时间，其中e表示当天第e次起始或终止用气，将[，],记录为[,]，代表第m天第n段用户非用气时间段的起始时间，代表第m天第n段用户非用气时间段的结束时间；mcu处理器调配数据，存储至存储单元，以备后续调用；

29、s103：预设：表示第m天第n段用户非用气时间段起始时刻时分，表示第m天第n段用户非用气时间段终止时刻时分，第m天与第（m+1）天存在共同非用气时间段的情况有以下四种：

30、1）当时，mcu处理器将会把时段[, ]定义为，即第m天和第（m+1）天共同的有效燃气泄漏检测窗口期，并将此时段存储至存储单元中，以备后续计算使用；

31、2）当时，mcu处理器将会把时段[, ] 定义为，即第m天和第（m+1）天共同的有效燃气泄漏检测窗口期，并将此时段存储至存储单元中，以备后续计算使用；

32、3）当时，mcu处理器将会把时段[, ] 定义为，即第m天和第（m+1）天共同的有效燃气泄漏检测窗口期，并将此时段存储至存储单元中，以备后续计算使用；

33、4）当时，mcu处理器将会把时段[, ] 定义为，即第m天和第（m+1）天共同的有效燃气泄漏检测窗口期，并将此时段存储至存储单元中，以备后续计算使用；

34、其中，（n为第（m+1）天第n段用户非用气时间段），i仅用于辅助计算，并没有现实的物理意义；

35、起始时间按起始时间先后顺序排列，定义为，其中，，k值仅用于数组排序，并没有现实的物理含义；当k≠0时，进行步骤s105，并以代替与，重复步骤s103；当k=0时，进行步骤s104；

36、s104：继续监测（m+2）天的用气情况，重复s103；若k仍等于0，则mcu处理器命令通讯单元向后台系统发送“存在未知泄漏可能”的信息，后台系统根据登记的用户用气设施，判断该用户是否存在壁挂炉等供暖用气设施，如果存在，则忽略此报警信息，否则与用户联系并确认是否存在泄漏情况，甚至安排检修人员上门检修；

37、s105：在第（m+2）天时钟单元过零点向mcu处理器上传信号，mcu处理器读取存储单元中的数据，定义 xp（单位：min）表示的时间跨度，通过公式计算得出，其中，表示终止时间数据中小时部分的值，表示终止时间数据中分钟部分的值，表示起始时间数据中小时部分的值，表示起始时间数据中分钟部分的值；

38、s106：由于我国大多数家庭以周为单位进行生产生活活动，因此，以7天为周期，以开户第一天为基准，当时钟单元上传的信息被mcu检测到相比开户第一天过了整数个周期，则纵向比较 xp，第1周第一天第n段用户非用气起始时间和用气时长为，第2周第一天第n段用户非用气起始时间和用气时长为，以此类推，第w周周一第n段用户非用气起始时间和用气时长为，判断第周w周一第n段用户非用气时间与第（w-1）周周一第n段用户非用气时间是否可作为燃气泄漏检测窗口期的参考依据；

39、s107：第一个七天周期结束后，当mcu处理器判断当天含有燃气泄漏检测窗口期时，mcu提取相应的燃气泄漏检测窗口期，在窗口期内，mcu处理器记录阀门状态，当阀门状态为开的时候，向阀门控制单元下发关阀命令，阀门关闭，形成后封闭管道空间，mcu处理器随即向压力温度检测单元下发测量封闭管道内温度和压力数据命令，户内燃气泄漏检测开始；

40、1）当时，压力温度检测单元在时刻检测一次温度数据记作，压力数据记作，温度检测单元在时刻再次记录温度压力数据，分别记作，；

41、2）当时，压力温度检测单元在时刻检测一次温度数据记作，压力数据记作，设第n次由压力温度检测单元测量的温度和压力数据为，，其中 ， ；

42、3）当时，压力温度检测单元在时刻检测一次温度数据记作，压力数据记作，设第n次由压力温度检测单元测量的温度和压力数据为，， ， ；

43、s108：mcu处理器提取存储单元中的数据对（，），通过公式计算校准后的压力值，判断压力差，为设定阈值，当时，执行步骤s109，当时，执行步骤s110；其中外加绝对值是去除温度变化导致的户内封闭管道压力的变化带来的影响，其中，根据户内封闭管道发生微小泄漏时的最大修正压力变化量确定；

44、s109：mcu处理器判断户内封闭管道存在严重燃气泄漏事故，mcu处理器在燃气泄漏检测窗口期后，向阀门控制单元下发保持关阀命令，并且按键无法开阀，mcu处理器通过通讯模块将管道“严重泄漏”的信息上报后台系统，后台系统调配安检抢修人员前往排除故障；

45、s110：mcu处理器将所有计算得出的修正压力和时间的数据组（），拟合成p-t坐标系上的直线，拟合算法采用最小二乘法算法，得到拟合直线的表达式为：，其中c为直线斜率，b为直线截距，nt表示第n个周期；

46、当c=0时，mcu处理器判断此时户内管道密封性正常，在燃气泄漏检测窗口期后，mcu单元向阀门控制单元下发开阀命令，阀门开启，不影响用户正常用气；当c<0时，mcu判断户内封闭管道存在微小泄漏，此时mcu处理器在燃气泄漏检测窗口期后，向阀门控制单元下发保持阀门关闭的命令，阀门保持关闭，阀门无法通过按键开启，mcu处理器通过通讯模块将直线泄漏c值、“微小泄漏”信号上报至后台系统，后台系统根据上传的数据判断燃气泄漏的程度，合理调配人力资源前往安检；当c>0时，该种情况基本没有，若出现则大概率是环境温度急剧下降或表具出现故障引起的，则通讯单元将“c＞0”信息上传至后台系统，后台系统安排检修人员进行现场检修。

47、所述的基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的实现方法，其特征在于所述步骤s106中的具体判断方法如下：

48、计算w个星期以来每周一第n段用户非用气时间段的方差，若方差在接近0的过程中出现上升则进行以下步骤：

49、判断第w周周一第n段用户非用气时段与第（w-1）周周一第n段用户非用气是否为相近时段，判断方法如下：

50、1）计算起始时间方差，令，；计算终止时间方差，；

51、2）只有当和均随着测量周期有规律的接近0时，判断为每个周期第一天然气泄漏检测窗口期时长，mcu计算max{}，具体时间段为[，+max{}]；在每个周期的第二、三、四、五、六、七天重复步骤s106确定燃气泄漏检测窗口期，并通过mcu处理器存储至存储单元；若随着比较周期逐渐不趋近于0，则重复步骤s106。

52、所述的基于物联网智能燃气表的动态泄漏监测与分级预警系统的实现方法，其特征在于：在执行步骤107时，用户突然使用燃气设备，发现没有燃气输出，在用户自我排除可能存在的异常后，会观察表具显示单元，观察到显示单元持续显示“自检中”的字样；也会直接询问后台系统，后台会告知用户观察燃气表显示单元是否显示“自检中”，若用户需要开阀用气，按下燃气表开阀按键，mcu下发指令停止检测温度和压力数据，并整理已测得的温度压力数据进行步骤s108，若未检测出异常泄漏则开阀通气，并执行步骤s103计算用户非用气时间，若检测出严重泄漏或微小泄漏则执行步骤s109或s110中的上报步骤；若用户不需要开阀用气，则进行完整的燃气检测。

53、本发明创新性地利用对户内整个封闭燃气管道的温度与压力进行持续监控，以此来精确检测燃气是否泄漏，这种方法极大提高了检测的准确性和效率。由于是测量封闭管道内的温压变化，外界的油烟等环境因素干扰被有效隔绝，使得监测数据更为准确可靠。至关重要的是，方案通过温度校正来精准监测压力，提升了微小压力波动监测的灵敏度数量级，从而有效排除温度波动对压力读数的干扰，这一措施极大地提升了实际运用中泄漏监测的灵敏度和准确性。

54、一旦检测到异常，后台系统会立即根据上报的数据分析泄漏的可能程度，并据此合理调度检修及救援人员，既保证了响应速度，又避免了资源的过度分配和浪费。总之，这一方案通过技术革新，实现了燃气安全监测的智能化、高效化，同时优化了资源配置，是现代智能家居安全领域的一大进步。