家用燃氣安全閥智能控制裝置的研發

肖勤 王冬春 匡虹勝 周俊帆 彭梓齊 王先春

摘 ? 要：本文提出一款基于STM32F103RCT6單片機家用一體化燃氣安全設備的設計與開發。實現家用燃氣安全設備智能一體化，能夠準確地檢測出室內不正常的燃氣濃度，火焰強度，管道內的氣體壓強等安全隱患以及浴室的氧氣含量不足引起的窒息等安全隱患，并通過主控制器判別自動關閉閥門，打開排氣扇，并進行聲光報警，電話短信報警等安全操作，有效避免煤氣中毒，火災，爆炸以及因含氧量低造成的窒息等安全事故的發生，保障了人們居家使用燃氣的安全。

關鍵詞：物聯網 ?一體化 ?安全閥 ?燃氣 ?STM32

中圖分類號：TP302 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0070-03

Abstract： This paper presents the design and development of an integrated gas safety device for domestic use based on stm32f103rct6 single chip microcomputer. Realize the intelligent integration of domestic gas safety equipment， accurately detect the indoor abnormal gas concentration， flame intensity， gas pressure in the pipeline and other safety hazards such as suffocation caused by the lack of oxygen content in the bathroom， and judge the automatic closing valve， open the exhaust fan， and carry out sound light alarm， telephone message alarm and other safety operations through the main controller To effectively avoid gas poisoning， fire， explosion and suffocation caused by low oxygen content and other safety accidents， to ensure the safety of people's home use of gas.

Key Words： Internet of things; Integration; Safety valve; Gas; STM32

隨著我國燃氣使用的普及，燃氣作為一種較為清潔，經濟的燃料被廣泛使用，隨之發生的安全事故也越來越多。具中國燃氣行業門戶網站博燃網2018年1月—2019年11月收錄公布的國內燃氣事故高達700多起，累計受傷人數高達1000余人，死亡人數140余人，其中居民用氣事故發生率高達61.6%。

以上數據表明，家用燃氣使用所發生的事故情況十分的嚴峻。家用燃氣事故頻發的主要原因在于閥門，管件老化導致燃氣管道泄漏，燃氣閥門破損，以及室內不通風，燃氣燃燒不充分等問題。

1 ?系統原理及架構

本系統設計的燃氣安全閥智能控制裝置，能夠準確地檢測出室內不正常的燃氣濃度，火焰強度，管道內的氣體壓強以及浴室的氧氣含量等安全隱患，并通過主控制器判別自動關閉閥門，打開排氣扇，并進行聲光報警，電話短信報警等安全操作，有效避免較大的安全事故的發生。

系統以STM32F103RCT6為主控制器，采用DC_DC&LDC電源轉換電路為系統各個模塊提供低壓穩定電流，使用MQ-9氣體傳感器，實時檢測室內的燃氣濃度，當室內燃氣濃度達到預設閾值一時，由單片機發出控制指令，通過NRF2401無線模塊驅動排氣系統進行通風排氣（當氣體燃燒不充分時）;當燃氣濃度到閾值二時，驅動聲光報警器，通過NRF2401無線模塊驅動電磁閥的關斷，由SIM800C模塊將燃氣泄漏的情況發送至戶主的手機（此時已確認氣體泄漏）。在此同時，系統還搭載氧氣傳感器實時檢測室內氧氣濃度，當室內氧氣濃度低于人體所需正常濃度值，驅動排氣系統進行通風排氣，可避免發生缺氧窒息等情況?；鹧鎮鞲衅鞅O測室內燃氣使用安全距離外是否有持久燃燒的明火以判斷火災發生，并將信息傳遞給控制器，進行報警，關斷閥門等一系列措施。壓力傳感器實時監測燃氣管道內氣壓是否正常，管道內氣壓情況將控制器下發命令給LED彩燈，紅燈顯示壓強處于非正常狀態，綠燈顯示壓強正常，已達到安全使用燃氣，避免過壓欠壓導致的安全事故。

2 ?系統檢測模塊

氧氣傳感器內置高精度電化學傳感器，通過專門的電路將氣體濃度信號輸出為數字信號。傳感器內部帶有高精度放大、去噪聲處理、溫度補償處理，能夠快速準確地輸出可用氧氣濃度信息。

MQ-9燃氣檢測傳感器氣敏材料為清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（Sn02）。采用高低溫循環檢測方式低溫（1.5V加熱）檢測-氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5V加熱）檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號[1]。

火焰傳感器該模塊可以檢測760nm～1100nm范圍內的光源，進行實物測驗后，調節靈敏度，可以準確地檢測到系統規定范圍內的明火。壓力傳感器可測試0kPa～20kPa的氣壓值，并輸出一個呈線性關系的模擬電壓，MCU的ADC口能夠直接讀取和判斷，并通過AD換算，顯示精確的氣體壓強。

3 ?功能、報警模塊

功能、報警模塊由無線模塊驅動電磁閥，風扇部分;聲光報警模塊，SIM 電話短信報警模塊組成。無線驅動模塊通過裝置與功能模塊（電磁閥，排氣扇）進行無線控制，電磁閥工作電路由NRF2401無線模塊與NPN三極管等構成的組合電路單獨驅動電磁閥;排氣扇電路由，排氣扇工作電路由NRF2401無線模塊與UNL2003驅動器以及繼電器構成的組合電路。實現控制器與電磁閥，排氣扇之間的分離。避免各鐘繁雜的線路對居家造成困擾。聲光報警模塊采用無源蜂鳴器以及高光LED彩燈組成，準確地顯示出管道內起亞的變化以及燃氣的泄漏的報警。電話短信報警模塊通過SIM800C芯片結合當前先進的ESIM技術，將傳統SIM卡直接嵌入到主設備芯片上，通過串口與中控制器通信，實現快速電話信息報警。

4 ?軟件設計

系統設備接通電源后，單片機進行初始化復位，OLED顯示屏初始化清屏后正常顯示各傳感器模塊輸送過來的數據?？刂破鲗⑤斔瓦^來的數據進行對比，是否達到報警的閾值，如果達到，則向報警模塊發送相應的報警信息，同時進行電磁閥的關斷以及排氣扇的開關。若沒有達到報警閾值則繼續循環檢測。

5 ?結語

本設計使用keil5進行編程，并通過pcb仿真制板，通過焊接制作實物。多次重復調試，驗證本設計的可行性。各種數據表明，本設計各功能部分均已達到并超過預期效果。且成本較低，智能簡單，可以滿足現在的居家燃氣使用安全的需要。

參考文獻

[1] 丁濤，胡佳慧.基于LINUX的遠程實時監控系統設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2018（1）：5.

[2] 楊麗，馮娟，盧秀麗，等.基于物聯網智能家居安全監控系統設計[J].現代電子技術，2019，42（8）：55-58.

[3] 范玉華，謝明.住宅廚房內可燃氣體探測器設置問題分析[J].現代建筑電氣，2019，10（10）：34-36.