基于物聯網的燃氣檢測報警防護系統研究

張東娟

（江蘇省揚中中等專業學校，江蘇鎮江，212200）

0 引言

近年來，發生了多起由于居民家中燃氣泄漏造成的重特大事故，城市居民居住相對較為集中，損失極其慘重[1]。目前很多居民對燃氣泄漏問題不夠重視，未安裝相關的燃氣報警裝置，或者安裝的裝置防護功能較為單一，不具有物聯網功能，存在一定的安全隱患。

隨著物聯網的發展，STM32單片機和ESP8266的功能越來越強大。將它們作為主控和無線控制模塊應用到燃氣濃度檢測防護系統中。基于物聯網和嵌入式單片機技術，設計了燃氣濃度檢測、報警和防護系統，可實時檢測室內的燃氣濃度，并采取安全可靠地的措施，以保證居民的生命健康和安全。主要用于居民家中的可燃氣體濃度檢測和防護等。

1 系統硬件設計

本系統主要由五個模塊組成，分別是控制模塊、無線Wi fi模塊、信息輸入和顯示模塊、燃氣濃度采集模塊和報警防護模塊。系統主要控制電路使用STM32單片機，ESP8266作為無線Wi fi模塊。通過按鍵設置燃氣濃度上限值，并在液晶顯示屏中實時刷新顯示。燃氣濃度通過MQ-5氣體傳感器進行檢測。綠色發光二極管指示電源正常接通，而紅色發光二極管和蜂鳴器組成聲光報警器，排風扇和電控開關作為防護裝置。

■1.1 STM32

STM32單片機是一種低成本、高性能和低功耗的微型處理器，融合ARM和ST技術[2]。本系統的主要控制電路使用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103C8T6單片機。這是一種32位的微控制器，時鐘頻率是72MHz，有37個輸入/輸出引腳和多個外設功能設備。

■1.2 ESP8266

本系統選用的Wi fi模塊為ESP8266-12F芯片，它不僅小巧、價格低廉，而且功能強大、高度集中、功耗低，是內置了TCP/IP協議棧的UART-Wi fi透傳模塊，可實現Wi fi與串口的轉換。ESP8266有三種工作模式：AP模式，STA模式和AP+STA模式[3]。本設計中Wi fi模塊的工作模式是STA模式，設置ESP8266，使其通過路由聯入網絡，將燃氣濃度通過Wi fi上傳給云平臺，同時手機可以查看燃氣實時濃度、設定上限值和燃氣濃度曲線，而且可以通過物聯平臺給用戶發送燃氣泄漏報警短信。

■1.3 MQ-5氣體傳感器

燃氣濃度的采集裝置采用傳感器實現燃氣濃度檢測。MQ-5氣體傳感器成本低，可以用于多種常見可燃氣體的濃度檢測，對液化氣、天然氣和煤氣的靈敏度較高，有較強的抗乙醇和煙霧干擾能力。MQ-5氣體傳感器使用的是二氧化錫，在清潔的空氣中這種氣敏材料的電導率比較低。當環境中有一定的可燃氣體時，它的電導率會隨著可燃性氣體濃度的增大而增大，可將燃氣濃度轉化為模擬電壓量，然后通過濾波器過濾掉其中的干擾信號，將此小信號量放大后傳入模數轉換電路ADC0809。ADC0809與STM單片機的P1.2、P1.3和P1.4端相連將模擬電壓量轉化為二進制數字量，上傳給主控模塊STM32單片機，并比較分析燃氣濃度信息。

■1.4 輸入顯示電路

燃氣安全濃度的上限值，通過STM單片機的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5端分別與輸入按鍵相連實現。設置鍵和確認鍵與STM單片機P3.2和P3.3端相連，而加一和減一鍵分別與STM單片機P3.4和P3.5端相連。顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，它是一種可顯示符號、數字和字母等的點陣式液晶屏，顯示容量為16×2字符。液晶屏的R/W讀寫選擇端接地，使能端E與STM單片機的P2.3連接，數據/命令選擇端RS與P2.4連接，數據口和P0口連接，實時顯示燃氣濃度以及安全濃度的上限值。

■1.5 輸出控制電路

本系統的聲光報警模塊使用紅色發光二極管和蜂鳴器。蜂鳴器可以發出較高穿透力的聲音，控制方式簡單。紅色發光二極管工作的電流與電壓相對較小，能夠滿足室內亮度要求，且抗沖擊和抗震性都較好，使用壽命長。紅色發光二極管與STM單片機的P2.0端相連，蜂鳴器與STM單片機的P2.1端相連，兩者作為聲光報警裝置，指示燃氣濃度超過了設定的安全值。STM單片機的P2.2和P2.3端與繼電器連接，通過繼電器控制排風扇和燃氣總開關，實現燃氣的智能防護控制。燃氣濃度超過上限安全值時，通過繼電器控制排氣扇轉動，關閉燃氣開關，最大限度的降低燃氣濃度。

圖1 基于物聯網的燃氣檢測報警防護系統結構圖

圖2 基于物聯網的燃氣檢測報警防護系統組成

2 系統軟件設計

主要控制電路選用具有32位微控制器的STM單片機，分析處理濃度設定值和經模數轉換的數字量，對紅色發光二極管、蜂鳴器和繼電器等進行控制。本系統采用結構化設計方法編寫子程序。通過傳感器采集、濾波、放大和模數轉換后的燃氣濃度分析比較子程序。液晶顯示子程序和按鍵查詢設置子程序。聲光報警、排風扇和開關動作的防護子程序。為了實時檢測燃氣濃度，每0.5秒使用定時器中斷程序讀取傳感器采集、濾波、放大和模數轉換后的室內實時燃氣濃度數字量。同時在液晶屏和云平臺中更新實時燃氣濃度值。將實時燃氣濃度和安全濃度上限進行比較，當發現燃氣濃度超過上限安全值時，紅色發光二極管導通、蜂鳴器鳴叫報警，同時控制繼電器使排風扇轉動，燃氣總開關斷開。

圖3 控制裝置電路原理圖

圖4 燃氣濃度檢測控制流程圖

中國移動物聯網開放平臺，具有很強的適配性，支持使用者快速接入各類智能硬件和傳感器，提供豐富的應用模板和API[4]。根據中國移動物聯網開放平臺的使用規范接入云平臺，添加相關設備，上傳數據信息，并將信息存儲在云端。本設計中，串口Wi fi模塊ESP8266與中國移動物聯網開放平臺可以進行基于HTTP協議的Restful API的雙向通信，采用云平臺所提供的文檔格式。ESP8266數據上傳使用HTTP通信協議里的POST方法，完成燃氣濃度實時上傳。云平臺對信息進行存儲、轉發和處理，并顯示在手機的APP監測界面中。而獲取云平臺監測數據反饋與報警信息則使用HTTP通信協議里的GET方法。HTTP通信協議里的POST是數據上傳方法，GET方法可獲取服務器的反饋報警信息，兩者的編輯格式類似。

3 工作原理

接通電源，按下自鎖按鈕，綠色發光二極管常亮，表明電源正常接通。首先按下設置鍵，然后通過按下加一健或減一健調整數值，最后按下確認鍵，完成燃氣安全濃度的上限值的設置。當室內有燃氣泄漏時，MQ-5氣體傳感器中二氧化錫的電導率會隨著燃氣濃度的增大而增大，其輸出的模擬電壓量也隨之改變。然后通過濾波電路、放大電路和模數轉換電路ADC0809，將轉換成的數字量傳入STM32單片機進行分析與處理。STM32單片機將檢測到的燃氣實際濃度顯示在LCD1602液晶顯示屏上，并將檢測到的濃度和設置的上限安全燃氣濃度進行對比。同時將燃氣設定濃度和實時檢測濃度通過ESP8266串口Wifi模塊傳入物聯云平臺，在手機APP中實時顯示當前室內燃氣濃度值和設定值，并且可以查詢近期燃氣濃度曲線。

通過分析比較，發現燃氣濃度超過上限安全值時，可以通過繼電器控制排氣扇轉動，關閉燃氣開關，并通過中國移動物聯網開放平臺給使用者發送燃氣泄漏的報警短信。最大限度的降低燃氣濃度，保證人身和財產安全。STM32單片機P2.0端子輸出高電平，紅色發光二極管導通發光。STM32單片機P2.1端子輸出高電平，蜂鳴器鳴叫報警，指示燃氣濃度超過安全值。同時P2.2和P2.3端輸出高電位，使NPN型晶體管飽和導通。使連接在直流電源和集電極之間繼電器1的線圈導通。繼電器常開觸頭閉合，使室內燃氣總開關斷開。同理，繼電器2動作，使排風扇轉動，排出室內的殘余燃氣。

4 結束語

本文設計了一種基于STM32單片機和ESP8266的燃氣濃度檢測，聲光報警和防護的系統，可以實時監測室內的燃氣濃度，通過物聯網短信及時提醒使用者燃氣泄漏情況，采取有效措施自動關閉燃氣總開關，并迅速排出燃氣。通過使用打火機模擬家用燃氣，繼電器控制黃色發光二極管模擬控制燃氣總開關進行了測試。本系統可以實時檢測燃氣濃度，并進行有效的物聯網報警防護。