智能防煤氣中毒裝置

郭履寶 龍濼安 曾煦亮 程浩哲 陳海寧

摘要：物聯網的興起給日常生活帶來了很多便利。全自動化的開窗設計、閉閥設計以及物聯網模塊的搭建，使得居民可以避免煤氣中毒。本文基于物聯網模塊設計了智能防煤氣中毒裝置，致力于減少煤氣中毒事件的發生。

關鍵詞：智能防煤氣中毒裝置;開窗設計;CO檢測模塊

中圖分類號：TP391 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0112-03

Intelligent Anti-gas Poisoning Device

GUO Lv-bao， LONG Luo-an， ZENG Xu-liang， CHENG Hao-zhe， CHEN Hai-ning

（University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The rise of the Internet of Things has brought a lot of convenience to daily life. The fully automated window opening design， closed valve design and the construction of the Internet of Things module allow residents to avoid gas poisoning. This article designs an intelligent anti-gas poisoning device based on the Internet of Things module， which is dedicated to reducing the occurrence of gas poisoning.

Key words： intelligent anti-gas poisoning device; window design; CO detection module

燃氣與我們的衣食住行息息相關，它的廣泛使用，給我們的日常生活帶來了極大的便捷，但與此同時也帶來了很多的安全問題。當燃氣泄漏時，如果不能及時采取開窗通風等措施，便會引發事故，造成燃氣中毒、火災甚至嚴重的爆炸事故。為了提高家庭使用煤氣的安全性，讓家人的生命以及家庭的財產安全得到保障，需要一種保護裝置來消除燃氣泄漏的隱患。

通過調查發現，目前為了解決煤氣泄漏問題普遍采用的報警方式是：當燃氣傳感器檢測到有燃氣泄漏后，立即發出警鈴聲來提醒當事人對該問題進行處理[1]。但是此種方式具有一定局限性，如果發生燃氣泄漏時無人在場或是人處于深度睡眠情況下未接收到警鈴聲，那么煤氣達到一定濃度會引發較大的安全事故，鑒于這種報警裝置的局限性，我們設計了此款智能防煤氣中毒裝置。

1 設計過程

該裝置由煤氣檢測傳感器，基于STM32的控制系統，煤氣控制閥，自動開鎖裝置，排風換氣扇，繼電器，步進電機以及自動開窗機構組成。

1.1 煤氣泄漏自閉閥門

在發生煤氣泄漏時，不光需要采取及時有效的通風、報警等措施，還需從根源上切斷煤氣泄漏。因此我們運用類似的Z桿開鎖機構來達到自動關閉煤氣閥的效果。當單片機檢測到CO傳感器發出的泄漏信號時，及時向步進電機驅動器發送驅動信號，用以驅動步進電機帶動Z桿裝置旋轉，Z桿裝置與閥柄相連，Z桿旋轉可帶動閥柄往固定方向旋轉，來達到自動關閉氣閥的效果。

1.2 換氣扇的啟動

換氣扇模擬的是家庭廚房常用的抽油煙機，日常生活中的抽油煙機均為手動開啟。在此基礎上并聯了自動控制電路。自動控制電路由單片機和繼電器組成，由單片機控制繼電器動作。接入繼電器的電路處于常開狀態。單片機接收到煤氣泄漏信號時，即刻給繼電器信號控制排風扇的開啟。這樣可達到在無人為干預下將換氣扇打開。

1.3 傳感器及控制部分

1.3.1 煤氣傳感器

我們選用CO傳感器模塊[2]作為檢測元件。煤氣泄漏信號被檢測到后，經信號濾波放大，通過門限比較器進行識別。若該信號大于門限值，則傳感器模塊輸出為高電平。反之，則該模塊輸出為低電平。

1.3.2 窗戶開關信號檢測傳感器

該模塊主要由開關部分和磁鐵部分構成。其中，開關部分主要就是一個常開型的干簧管;磁鐵部分主要就是一個永磁體，用于提供穩定的磁場。當開關部分與磁鐵部分靠近時，即窗戶處于關閉狀態時，開關處于工作狀態;反之，開關處于關閉狀態。窗戶的開關狀態由窗戶開關檢測器以電信號的形式實時發送到單片機。

1.3.3 雨滴傳感器

雨滴傳感器模塊的雨水感應板檢測到室外有雨滴信號時，傳感器模塊輸出有效低電平。我們通過C程序將單片機與該傳感器模塊的輸入信號接口設置為低電平觸發有效，若檢測到有效雨滴信號，則單片機接收到低電平，即刻觸發步進電機驅動器，向電機提供有效的驅動信號，使電機反轉，從而達到雨天自動關窗的效果。

1.4 自動開窗部分

考慮到家庭窗戶種類的多樣性，我們共設計了兩類窗戶的自動開窗機構[3]。

1.4.1 橫移式自動開窗機構

在橫移式窗戶的上沿通過螺栓固定設計好的齒條，其次在安裝齒條的窗戶外框架的上方中間處固定好步進電機，并將輸出軸部分與同型號齒輪連接固定，同窗戶上的齒條相嚙合。當步進電機接收到單片機驅動信號的時候會帶動齒輪轉動，達到橫移窗的自動開窗效果。圖1為橫移自動窗原理圖。

1.4.2 二連桿鉸接開窗機構

此機構是基于推窗設計的。采用二連桿機構，使其一端鉸接在窗戶上框，然后連桿的另一端作為開窗動力裝置，在一端連接好齒輪并與步進電機相連接，然后連接好的模塊一起固定在窗戶上部的墻壁上。

當電機轉動的同時帶著齒輪一起轉動，則會使二連桿運動，從而實現外推式窗戶的自動開窗。

1.5 輔助開鎖裝置部分

1.5.1 Z桿開鎖器

該裝置是通過安裝在支架上的電機帶動Z桿旋轉，進而帶動鎖把轉動，達到開鎖動作。調查了家庭常見窗戶鎖的類型，我們針對三八式執手鎖以及T型鎖做了相關Z桿開鎖的設計。不同類型的窗戶鎖開鎖方向有一定差別，通過將Z桿開鎖器安裝在不同的位置，來改變電機帶動Z桿裝置旋轉的方向，以達到開啟不同類型鎖的目的。三八式執手鎖的開鎖方向與窗戶平面是屬于相對平行關系，故步進電機與Z桿裝置的安裝位置應當是垂直于窗戶平面的。Z桿開鎖機原理圖如圖2所示。

1.5.2 曲柄連桿桿開鎖器

該裝置是通過安裝在支架上的電機帶動曲柄旋轉，進而帶動連桿轉動，達到開鎖動作。調查了家庭常見窗戶鎖的類型，我們針對月牙鎖以及上下執手鎖做了相關曲柄連桿輔助開鎖的設計。我們通過將曲柄連桿開鎖器安裝在不同的位置，便可達到開鎖的目的。曲柄連桿桿開鎖器結構如圖3所示。

2 設計結果

為了能夠在煤氣泄漏第一時間提醒人們或是在人們不便處理的情況下自動處理險情，我們自主設計制作了集自動閉閥裝置、自動開窗機構、自動開鎖裝置、自動排換氣、智能手機App報警于一體的防煤氣中毒裝置。系統運行流程圖如圖4所示。

在居民日常正常使用煤氣即無泄漏的情況下，煤氣傳感器亦處于工作狀態，若煤氣泄漏濃度達到CO傳感器設定的檢測濃度時，傳感器直接發出電信號給控制系統，控制系統在接收到信號后通過無線傳輸向用戶手機App發送煤氣泄漏報警信息，及時告知用戶室內煤氣的濃度，提醒用戶做出相應的防范。其中手機報警可以發送短信到用戶手機上，也可以通過微信發送報警信號（圖5 微信報警界面）[4-6]。

我們增設了檢測天氣模塊，當雨水感應板檢測到室外有雨滴時，通過雨水傳感器模塊將該物理信號轉換處理成AO信號進行輸出，單片機接收到該輸入信號后，及時發送有效信號給步進電機驅動器，從而實現了如果下雨天能及時自動關窗的功能。此裝置在保障居民人身安全的同時，也為人們的日常生活提供了便利[7]。

3 系統調試

我們針對智能防煤氣中毒裝置的工作完成時間做了多組實驗。實驗數據如圖6所示。

4 系統結論

智能防煤氣中毒裝置將煤氣檢測模塊與開窗機構、換氣扇相連接，當有煤氣泄漏時，不需要人為干涉就可以實現室內通風，能有效減少煤氣中毒事件的發生，消除煤氣泄漏帶來的安全隱患;從氣源上進行切斷，比單一地報警等措施更能保證煤氣泄漏現場的安全性。裝置結構簡單，性能可靠，性價比高，具有一個良好的應用前景[8]。

參考文獻：

[1] 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.

[2] 張文霞，簡明陽，胡衛杰.冶金企業CO氣體濃度檢測報警聯動事故排風系統的設計[J].冶金與材料，2020，40（5）：84-85.

[3] 陳一帆，賈樂樂，胡鵬，等.基于CPAC的玻璃幕墻開窗器控制系統設計[J].黃河科技學院學報，2021，23（2）：60-65.

[4] 史經允，史殊姝.基于STM32和物聯網技術的道路智能照明設計[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2021（8）：187-188.

[5] 白玉立，喻恒.基于Arduino的心率計步器的設計實現[J].工業控制計算機，2021，34（7）：153-154，156.

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[7] 楊智霞.淺析單片機控制的汽車智能降溫系統[J].內燃機與配件，2021（14）：230-231.

[8] 馬祥琴.農家煤爐取暖須“五防”[J].農村科學實驗，2013（3）：44.

【通聯編輯：梁書】