基于物聯網的家庭燃氣監控系統

彭高潔 龍馨 龍光利

摘 要：針對忘記關閉燃氣閥門導致天然氣泄露，從而發生失火事故、爆炸使人窒息、死亡等問題，設計了一種基于物聯網的家庭燃氣監控系統。利用傳感器采集室內的溫度、可燃氣體濃度等數據，實現節點的有效信息采集，然后將這些數據發送給STM32單片機;STM32根據設定好的報警閾值對獲得數據進行處理、判斷;當數據超過報警閾值時輸出控制信號，控制閥門的開閉，同時還可通過ZigBee傳輸模塊將數據發送到匯聚節點;匯聚節點將數據打包后傳輸給終端系統，實現節點設備和終端系統之間的有效通信，與對家用燃氣進行動態監控和對燃氣流量使用情況的實時觀察，同時還可遠程操控關閉閥門。

關鍵詞：物聯網;傳感器;燃氣監控;ZigBee;遠程操控;通信

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-020

0 引 言

隨著當今時代信息技術的飛速發展，物聯網技術的使用已普及到社會領域的方方面面，智能家居也逐漸走進千家萬戶，成為生活必需品。在這種發展趨勢下，智能廚房也將成為居家做飯、日常生活的必需設施。近年來，國內燃氣管網的規模逐步擴大，不論是家用炒菜還是供暖，都為人們的生活帶來了很大便利，使人們生活的質量得到了明顯提高。但同時也帶來了諸多問題，比如偶爾忘記關閉燃氣閥門導致天然氣泄露，從而發生失火事故、爆炸，甚至使人窒息、死亡。由于人們居住環境以及家庭燃氣表功能和特點不同，導致燃氣安全監控設施相關的投入存在明顯差異，而天然氣使用的一大難題就是泄露問題，如果家庭內燃氣發生泄漏，將造成嚴重的后果。考慮到燃氣在接觸到明火會發生火災，給居民的人身財產安全造成難以挽回的損失，因此我國政府相關部門一直都在完善和加強關于燃氣安全使用的監管工作。針對燃氣監管技術以及相關治理工作存在的問題，需要采取與時俱進的科學監管方法。本文所提的方法能夠實現對家用燃氣的動態監控和對流量使用情況的實時觀察，同時還可以遠程操控關閉閥門。

1 設計方案

通過溫度傳感器采集室內溫度、MQ-5氣體傳感器采集可燃氣體濃度等數據，實現節點的有效信息采集，然后將這些數據發送給STM32微處理器，STM32根據設定好的報警閾值對獲得的數據進行處理判斷，當數據超過報警閾值時輸出控制信號，控制閥門的開關，并且將數據通過ZigBee無線傳輸給終端系統。終端系統通過傳輸網絡響應，對接收的數據包進行適當處理，實現節點設備和終端之間的有效通信。可在用戶終端（即PC端或手機APP端）查看相關數據，或在終端發出指令，通過ZigBee傳送至STM32單片機，令STM32發生動作，實現遠程控制。設計的主機原理如圖1所示。

2 硬件設計

本設計主要由無線傳輸模塊、電源模塊、傳感器數據采集模塊、蜂鳴器報警模塊、LCD顯示模塊等組成。

2.1 無線數據傳輸模塊

燃氣屬于易燃易爆氣體，當今存在的燃氣監測系統大都采用有線傳輸方式[1]，但該方法存在許多安全隱患。一些舊的燃氣管理公司主要依賴勞動力、財力以及物力的大量投入完成入戶安檢等各項工作，不僅工作效率低下，還不能實時監控燃氣安全狀態[2]。所以現存的部分燃氣監控系統已無法匹配當今信息化時代的要求，因此日趨成熟的ZigBee無線技術成為目前應用的首要選擇，它原理簡單、易于使用、穩定高效、安全性高，且維護成本相對更低。

系統基于ZigBee技術進行無線傳輸，是基于IEEE 802.15.4無線標準研發的一種低速短距離網絡拓撲技術。系統采用ZigBee模塊，以CC2530為內核。CC2530具有低功耗的特點，在無數據傳輸時，耗電量微乎其微，一旦有中斷掛起又可以快速傳輸數據。

2.2 數據采集模塊

MQ-5可燃氣體檢測傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）[3]。系統設計中加入MQ-5，當有燃氣泄漏時，燃氣濃度會隨著時間增加而升高，MQ-5的電導率也因此增加。然后通過數模轉換電路將變化轉換為與燃氣濃度相對應的數字信號。該傳感器可以檢測多種可燃性氣體，成本較低[4]。

DHT11數字溫濕度傳感器是一種含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。DHT11通過傳感技術采集當前室內的溫度及濕度數據值，反饋給STM32微處理器，然后經相關電路使相關數據呈現在LCD顯示屏上，同時利用無線通信發送至終端系統。

MQ-5可燃氣體傳感器和溫度傳感器的STM32微處理器接收到數據后檢測、判斷數據是否超過設定的預警閾值，若超過，則STM32微處理器發出指令，使報警模塊工作，并自動控制燃氣閥門關閉。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序

主程序流程如圖2所示。

首先對STM32微處理器（MCU）進行初始化，如果STM32有觸發事件，則判斷是否為數據接收事件，如果不是，則對其進行中斷處理;如果是數據接收事件，那么進行預警值閾值判斷。若檢測到溫度值或燃氣濃度值超過所設定的預警閾值則啟動報警模塊，報警結束后進入等待事件狀態。

3.2 ZigBee組網流程

組網流程主要是進行程序初始化，通過按鍵設定設備的邏輯類型，然后復位。復位后啟動協議棧，判斷協議棧是否啟動成功，如果失敗，觸發START_EVT事件繼續啟動協議棧，直到協議棧啟動成功。之后把協調器設置成允許其他節點自動加入網絡模式，建網成功[5]。ZigBee建網流程如圖3所示。

4 結 語

該系統設計采用CC2530芯片，基于物聯網技術對燃氣的使用情況進行無線傳輸[6]，實時掌握待測燃氣節點的溫度、可燃氣體濃度、流量使用等數據，彌補了之前有線監控的不足。系統可實現智能報警，在應用到智能家居的同時，也可以通過布設傳感器節點應用到廠區等場所，在大大降低監管成本的同時加強對相關安全系數的監管和企業經營效率的提升。綜合來看，該系統適用于家庭燃氣監控，滿足了人們的日常需要[7]。從更長遠的角度來看，該系統可以提高城市的燃氣監控系統水平，從而保證燃氣的安全可靠供給。

參考文獻

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[6]董樂.基于無線網絡的智能家居系統網絡節點和網關的設計與實現[D].天津：天津工業大學，2010.

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