基于STM32開發平臺的燃氣報警系統設計方法

摘? 要：文章提出了一種燃氣和煙霧的檢測、報警及控制系統的設計方法。該系統主要分為兩個部分：第一部分，以STM32開發平臺為核心控制單元，控制氣敏傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，對室內的燃氣和煙霧濃度進行檢測;第二部分，進一步建立網絡監控及通信模塊，及時向用戶反應現場情況，用戶可以通過互聯網控制相關設備，如電磁閥、滅火、除煙等及時控制住現場情況，文章就以上兩部分提出了設計思想。

關鍵詞：STM32開發平臺;物聯網;傳感器;燃氣報警

中圖分類號：TU855;TP274? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0175-03

Abstract：This paper presents a design method of gas and smoke detection，alarm and control system. The system is mainly divided into two parts：the first part，with STM32 development platform as the core control unit，controls the gas sensor，temperature sensor，smoke sensor，etc. To detect the indoor gas and smoke concentration;the second part，the network monitoring and communication module is established on the open source system，which can timely report the site situation to users，and users can connect with each other network control related equipment，such as solenoid valve，fire fighting，smoke removal and other equipment，timely control the site situation. This paper puts forward the design ideas of the above two parts.

Keywords：STM32 development platform;internet of things;sensor;gas alarm

0? 引? 言

近些年，人工智能技術發展迅速，與之相關的行業也隨之快速進步。在新形勢下，智能家居行業會越來越壯大，隨著人類生活水平的不斷改善，天然氣等易燃易爆氣體的使用量也逐年增加，因此隨之產生的安全隱患是目前亟須解決的問題，例如燃氣泄漏引發的煤氣中毒、火災等事故。本文在傳統報警器的基礎上進行了改進并與新技術進行融合，在加強其安全性能的同時，設計了云端數據庫，供燃氣用戶和燃氣供給公司分析管理，將有利于智能家居行業的擴充，在很大程度上促進物聯網和能源行業的數據與技術融合，可以有效地減少燃氣使用事故，提高燃氣使用可靠性，實時控制各種容易造成二次危害的設備，保障人員及財產的安全，具有廣泛的應用前景。

傳統的燃氣報警器是基于核心原件氣敏傳感器來探測燃氣濃度的，當它檢測空氣中的燃氣濃度超過設定的安全值就會觸發報警，但是如果用戶不能及時關閉燃氣閥，就容易導致災難發生。為了解決以上問題，本文研究了一種新型燃氣報警系統，該系統既能夠實現報警效果，又能夠遠程控制相關設備對事故進行制止，系統不僅包括煙霧、燃氣報警裝置，還包括遠程控制裝置，能夠達到及時控制火情，及時關閉危險設備的目的。

本文的研究目的在于采用STM32開發平臺以及相關傳感器，提出一種既能敏銳感應燃氣泄漏進行報警，能夠通過移動端遠程監控現場，又能夠遠程控制現場情況，并將事故數據上傳至云端進行分析的新型燃氣報警系統設計思路。由于本系統涉及的傳感器較多、占用端口較多，因此采用大容量的STM32開發平臺作為核心控制單元，同時外接驅動板提高驅動電壓。本人長期研究智能電子產品的開發、半導體傳感器開發等，能夠用STM32開發平臺控制傳感器、攝像頭、電磁閥等外部設備，開發各種智能電子產品。燃氣報警器是一種常見的電子系統，但是在此基礎上能夠進一步遠程控制攝像頭、電磁閥、滅火裝置等外部設備的電子系統尚未出現，本文使用STM32開發平臺充分開發以上外部設備，提出了一種新型燃氣報警系統的設計思路，并提出了該系統工作流程。

1? 理論基礎

1.1? 通信模塊

以Wi-Fi模塊、SIM卡模塊等為基礎，將其搭載到STM32開發平臺上，可以實現通信的目的。模塊通過I2C、USART、UART等方式連接到STM32開發平臺接口上，并搭載相應的控制程序。通過網絡模塊可以實現人機互聯、物物互聯，進而實現對燃氣報警系統的監測、預防和控制的目的。

1.2? 智能控制

智能控制可以通過STM32開發平臺和相關傳感器實現，達到不用人為操作就可以智能地對附屬設備進行實時控制的目的，實際上是以互聯網為基礎用計算機模仿人類控制行為的一種有效手段。智能控制的核心在于頂層STM32開發平臺的設計，相關控制程序、計算解碼程序、系統實施程序等都以編碼的形式存儲于STM32開發平臺之中，該過程需要用到程序設計、嵌入式開發、深度學習等重要技術手段，達到系統控制智能化的目的。

在本設計中，智能控制主要用于操作電磁閥、通信模塊、通風裝置、滅火裝置等，對現場情況進行控制，阻止事故的進一步發生。同時，在燃氣事故處理完畢后，可以通過通信模塊將系統數據上傳至云端將事故產生的原因、應對方法等通過深度學習進行整理，并及時提醒用戶燃氣使用的注意事項，以及如何應對燃氣泄漏的再次發生等。

1.3? 硬件設備

本系統用到了氣敏傳感器、攝像頭、圖像傳感器、電磁閥等硬件設備，可以輔助系統及時準確地完成燃氣的檢測和控制，如圖1所示。氣敏傳感器主要利用半導體材料二氧化錫等多孔結構，以及吸附性強等特點進行工作。當半導體壓電材料表面由于吸附作用產生了一層相關氣體薄膜時，其表面電阻會隨之發生變化，進而引起表面電荷量的改變，并且電荷量的值會隨著被檢測氣體濃度的改變而發生變化，因此通過監測材料表面的電導率或者電荷量就可以達到氣體濃度測試的目的，當達到檢測閾值時會觸發報警器報警。

攝像頭是燃氣報警系統的前端設備，包括固定鏡頭調節型、自動鏡頭調節型、自動改變聚焦型、自動倍數調節型等幾種類型，在傳感器系統中有廣泛的應用。圖像傳感器包括CCD和CMOS兩種類型，其中CCD為電荷耦合器件，由PN結組成;CMOS為互補金屬氧化物半導體，由半導體硅材料經過復雜的半導體制備工藝制備而成，對電荷的變化極其敏感，因此可用于信號處理和成像。數/模轉換器可以實現數字信號和模擬信號的相互轉換，將圖像、聲音等信號轉換為數字信號，方便信號的傳輸，在基于STM32開發平臺的控制系統中有著關鍵的作用。

電磁閥是一種通過電磁感應實現閥門開合的重要器件，在通電條件下電磁鐵有很強的磁性，可以牢牢吸引住銜鐵，使閥門處于打開狀態。當事故發生時，用戶通過移動端連接通信模塊，控制STM32開發平臺相關引腳使電磁閥斷電，在銜鐵彈簧的作用下可以使電磁閥關閉，控制住燃氣進一步泄漏。

2? 設計方法

圖2是基于STM32開發平臺的新型燃氣報警系統結構圖，主要包括STM32開發平臺、攝像頭、氣敏傳感器、通信模塊、滅火裝置、電磁閥和云端等部件。

氣敏傳感器用于采集燃氣和煙霧等信息，如果達到報警閾值，會觸發報警器，報警信息會通過通信模塊傳到用戶移動端上。此時，需要通過攝像頭觀察現場情況，確定是否實際發生燃氣事故，用以排除報警器誤報的情況。當確定實際發生燃氣事故時，需要通過用戶移動端應用，控制STM32開發平臺觸發燃氣電磁閥關閉、通風裝置打開、滅火裝置打開等操作，對現場情況進行控制，阻止事故的進一步發生。燃氣事故處理完畢后，系統數據可通過網絡上傳至云端，將事故產生的原因、應對方法等進行整理，并及時提醒用戶燃氣使用的注意事項，以及如何應對燃氣泄漏的發生。本設計通過STM32開發平臺，可以采用庫函數、寄存器等開發方式，同時控制多個傳感器和端口對以上設計方法進行實現。由于STM32開發平臺的驅動電壓并不高，因此在控制滅火裝置時需采用驅動板來提高驅動電壓，其他端口的驅動均可通過STM32開發平臺實現。STM32開發平臺有很多系列和型號，本設計采用大容量的STM32開發平臺為核心控制單元，控制時需要使用大量的外設頭文件，攝像頭使用的外設頭文件為：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "lcd.h"

#include "usart.h"

#include "string.h"

#include "ov7725.h"

#include "ov7670.h"

#include "tpad.h"

#include "timer.h"

#include "exti.h"

#include "usmart.h"

根據設計思路，可得到本設計的流程圖，如圖3所示。新型燃氣報警系統在正常情況下處于休眠狀態，傳感器處于初始化狀態。當氣敏傳感器感應到燃氣泄漏時，產生的電信號將作為中斷源喚醒STM32開發平臺。當判定無燃氣泄漏時，傳感器需重新進入判定，當判定確有燃氣泄漏時，將觸發報警器報警，并且電磁閥關閉，切斷氣源。

此時燃氣泄漏雖然已經被切斷，但是不能保證是否發生火災，因此需要繼續執行下面的程序。初始化攝像頭后，可以通過移動端遠程連接攝像頭觀察現場情況，若觀察無火災產生，需通過移動端再次發出中斷信號，觸發電磁閥關閉，再次保證天然氣閥門處于關閉狀態。若用戶通過移動端觀察有明火產生，需要繼續執行程序，通過移動端開啟滅火裝置，為了保證滅火裝置確實觸發，此時需要進行判定。事故處理完畢后，將實時數據整理上傳至云服務器中，并將燃氣泄漏產生的原因進行整理，防止再次產生同樣的事故。

3? 結? 論

本文以STM32開發平臺為基礎，研究了一種能夠監測和控制的燃氣報警系統的設計方法，并提出了設計思路。該系統能夠實時監測室內的氣體和煙霧情況，并通過互聯網將信息傳輸到移動端，方便用戶及時掌握室內燃氣和煙霧情況并及時進行控制。本設計采用大容量的STM32開發平臺為核心控制單元。該系統能夠遠程控制滅火裝置、電磁閥等設備對現場情況進行控制，保障燃氣使用安全。

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作者簡介：陳永佳（1991.03—），男，漢族，陜西西安人，助教，碩士，主要研究方向：半導體電子器件及微控制器技術與應用。