智能家用燃氣無線報警系統設計

張敏麗 郭紅壯 于源華

摘 要：針對家用燃氣室內應用環境，對無線報警系統進行了研究，提出一種智能化、成本低的適用家庭的無線報警器。硬件主要由STM32F103單片機、NRF24L01無線通信模塊、DS18B20溫度傳感器、MQ-2可燃氣體煙霧檢測傳感器、SR505人體紅外感應傳感器以及LCD1602顯示屏組成。系統采用無線通信方式，顯示屏實時顯示室內溫濕度，通過人體紅外感應檢測感應點亮屏幕。通過對室內溫度、家用燃氣的濃度、煙霧的濃度等對家用燃氣設備進行有效實時監控，并在發現問題后第一時間通過GSM移動網以短信方式通知戶主，同時發出控制信號啟動排風扇等相關措施，并發出相關警報信息[1]。通過實驗得出，該系統成本低、安裝簡單、使用方便，擴展性強等，可以應用在智能家具控制系統。

關鍵詞：溫度傳感器;煙霧傳感器;無線通信;GSM移動通信

1 智能燃氣報警系統總體方案

系統整體框圖有一個主模塊和子模塊組成。主要有可燃氣體煙霧檢測傳感器、人體紅外感應傳感器、溫度傳感器、主控芯片、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、GSM模塊以及控制模塊等組成。結構框圖如圖1所示：

本設計一共采用兩個STM32單片機，主模塊的單片機用來檢測處理溫度傳感器DS18B20的信號，將處理后的信號經過無線模塊發射到子模塊，單片機通過NRF24L01接收信號，傳遞給單片機處理信號，然后顯示在LCD1602上。監測子模塊單片機處理接收到的數據，和設置的溫度、燃氣范圍濃度對比，如果超出溫度范圍則通過GSM模塊對用戶進行遠程短信報警，并開啟排風裝置，其中需要監測子模塊地址和報警目標用戶手機號碼可以通過鍵盤設置，并且保存在EEPORM里面不丟失[2]。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控芯片采用STM32單片機，設計中單片機的最小系統，包含復位電路、晶振電路，單片機所提供的接口均可對外拓展。原理圖設計中NRF24L01無線芯片、溫度傳感器、蜂鳴器、LED報警、電源電路、均采用網絡標號，使頁面更加簡潔。系統中所有元器件的供電均使用單片機自身所帶供電口供電。

2.2 無線通信模塊

在本次設計中，通過多個無線模塊比較，綜合各個因素比如成本、傳輸距離、可穿墻性、操作方便性、選擇了采用NRF24L01是8引腳無線模塊，通過編程設置，兩個無線模塊一個作為發射端，一個作為接收端對測量的溫度實時發送對接。NRF24L01此芯片可以實現1個對1個無線芯片或是1個對多個芯片進行無線通訊，無線通信速率最高的時候可以達到2M。本次設計采用的是一對一的形式，只有一個接收端和一個發射端，要想實現兩個芯片的無線對接，需要運用單片機變成對其控制。

2.3 DS18B20溫度傳感器

設計所采用的溫度傳感器DS18B20是唯一通過無線芯片傳輸，在無線報警的發射端，接收端在接到數據后在接收端的單片機進行數據處理[3]。在家用燃氣無限報警設計中，采用DS18B20傳感器，對燃氣爐的溫度監測，把監測數據發送給單片機。因為燃氣爐溫度過高，DS18B20只有小段不銹鋼，后面為膠皮，為了防止膠皮軟化還有不超過DS18B20溫度監測的最高溫度，采用讓傳感器距離明火稍遠的距離。

2.4 MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊

在發射端本次設計采用的MQ-2煙霧氣敏傳感器，根據查閱資料MQ-2煙霧氣敏傳感器具有很多特性，傳感器有一個D0輸出口，可以輸出高低電平。TTL根據檢測到氣體濃度，輸出不同的電壓，電壓范圍為0V～5V。另外MQ-2傳感器具有響應速度快，操作簡單的優點。本次設計在無線模塊發射端單片機I/O口，加入MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，把MQ-2模塊直接連接在發射端單片機上當濃度高于設定值時，單片機發射端的蜂鳴器直接發出報警。

2.5 HC-SR505人體感應模塊

HC-SR505小型人體感應模塊是一個集成模塊，次模塊靈敏度相對較高，廣泛應用于各種自動控制電路中。本產品為全自動感應，感應延時可調，默認8秒延時，當檢測到有人進入到感應區后，感應模塊輸出高電平3.3V，當檢測到人離開超過8秒以后就會輸出低電平。本模塊對工作電壓要求不高，可以在4.5V～20V，正常工作，輸出電流很小最大不超過60uA，模塊輸出的高電平，即3.3V可以直接與各類電路對接，方便使用。

2.6 GSM短信收發電路

本設計短消息發送模塊采用TC35i模塊，TC35i西門子工業GSM模塊是一個支持中文短信息的工業級GSM模塊，電源范圍為直流3.3～4.8V，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線[4]。SIM電壓為3V/1.8V，TC35i的數據接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數據，LPC2138通過I/O端口控制TC35的開關機、復位等，進行數據通信，通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數據位，1位停止位[5]。

3 軟件設計

根據無線報警器系統設計要求以及內部程序運行流程，制定了以下系統的總工作流程，如圖所示：（NRF24L01無線模塊;STM32為處理器;DS18B20傳感器為傳感器1;MQ-2傳感器為傳感器2;HC-SR505為傳感器3;LCD1602為顯示屏）。總程序流程圖如圖2所示：

4 總結

本次設計共采用兩個STM32F103單片機和三個傳感器，組成了一個智能家用無線燃氣報警裝置。監測環境溫度和燃氣濃度通過傳感器發送至單片機，處理分析后與設定的值進行對比，超出設置范圍發出警報及控制信號打開排氣扇，并發送短信給用戶;顯示屏能夠實時顯示、檢測環境溫度變化，根據人體紅外感應傳感器檢測控制屏顯時間，用作日常檢查，有效降低燃氣泄漏的風險。實際測試結果顯示，該裝置穩定運行，測量誤差小，操作簡單，可用于智能家居的設計使用。

參考文獻：

[1]趙延明，文家厚，曾瓊斌，黃垚，陳建勛.家用燃氣泄漏智能報警系統研究[J].化工自動化及儀表，2014，41（02）：222-225+228.

[2]陳英，肖利軍，劉蒙瑞.智能家庭煤氣中毒及火災報警系統設計[J].無線互聯科技，2018，15（15）：68-69.

[3]覃鮮艷.基于DS18B20的無線測溫系統的研究與設計[D].武漢理工大學，2012.

[4]朱蘭，任志偉.一種基于LPC2138的智能家用燃氣報警系統設計[J].電子技術與軟件工程，2014（23）：150-151.

[5]劉昌珍.基于GSM的遠程家庭監控及報警系統的設計[J].安防科技，2008（08）：22-25.

*通訊作者：于源華。