單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置

林為，胡昌吉，陳偉鎮(zhèn)，鄭亞

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528137）

1 裝置整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置，主要用于瓶裝液化氣用戶，安全實(shí)用，使用簡(jiǎn)單，具有自動(dòng)稱重、參數(shù)設(shè)置、迅敏報(bào)警的功能。

整體設(shè)計(jì)如圖1所示，包括裝置本體①、內(nèi)置電源⑦、蜂鳴器⑥、LCD顯示屏③、電源開(kāi)關(guān)④和操作面板⑤等。裝置本體①上表面設(shè)置有用于放置液化氣瓶的稱重臺(tái)②，稱重臺(tái)②下面設(shè)置有“稱重傳感器”和“燃?xì)鈧鞲衅鳌保▓D中未示出，參見(jiàn)圖2）；裝置本體1設(shè)置有單片機(jī)及相關(guān)電路（圖中未示出，參見(jiàn)圖2）。

圖1 基于單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置整體設(shè)計(jì)

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，對(duì)稱重傳感器和燃?xì)鈧鞲衅鞯臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和判斷，通過(guò)顯示屏、蜂鳴器以及無(wú)線模塊輸出，完成系統(tǒng)的功能。

如圖2所示，內(nèi)置電源（防爆鋰電池）依次電性連接于電源開(kāi)關(guān)和電源變換器（開(kāi)關(guān)電源），電源變換器將內(nèi)置電池的電壓變換成各種電源，為單片機(jī)、稱重傳感器、燃?xì)鈧鞲衅鳌CD顯示屏、操作面板、無(wú)線模塊、蜂鳴器等供電。

圖2 電控系統(tǒng)方框圖

單片機(jī)采用高性價(jià)比的STM8S103F3P6，采用最小系統(tǒng)即可，如圖3所示。稱重傳感器采集的信號(hào)GS_SDA和燃?xì)鈧鞲衅鞑杉男盘?hào)AS-SDA，通過(guò)I2C總線送到STM8S103F3P6單片機(jī)的A/D輸入端口，在單片機(jī)內(nèi)部處理后通過(guò)LCD顯示屏顯示液化氣瓶的重量，并且在單片機(jī)內(nèi)部分別與事先設(shè)定的液化氣重量閾值和燃?xì)鉂舛乳撝底鲗?duì)比，采取相應(yīng)的提示或報(bào)警動(dòng)作。

內(nèi)置電池的電壓（電量），根據(jù)電池的種類采用電阻分壓取樣到一個(gè)合理的范圍，然后送到STM8S103F3P6的ADC端口，通過(guò)單片機(jī)程序處理后顯示在LCD顯示屏上。以額定電壓為3.6V的鋰電池為例，電池電壓滿電為3.6V，電池低壓為2.5V。采用兩個(gè)200kΩ的電阻串聯(lián)對(duì)電池進(jìn)行分壓，分壓后的電壓接到單片機(jī)的ADC端口進(jìn)行檢測(cè)和提示，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)STM8S103F3P6最小系統(tǒng)及電池檢測(cè)電路

集成控制器TPS61253構(gòu)成升壓電路，將內(nèi)置鋰電池的電源升至5V，再通過(guò)三端穩(wěn)壓器AMS1117轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，供單片機(jī)以及傳感器使用，如圖4所示。5V電源還供給蜂鳴器使用。

圖4 電源變換器

接通電源開(kāi)關(guān)，單片機(jī)開(kāi)始工作，LCD顯示屏可清楚顯示液化氣瓶的實(shí)時(shí)重量、內(nèi)置電源的電量和參數(shù)設(shè)定值。通過(guò)操作面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，譬如液化氣瓶的余量下限，可依據(jù)液化氣瓶的充裝量設(shè)定為3%、5%或其他。參數(shù)設(shè)定好后，隨著使用時(shí)間的增加，液化氣瓶的重量減少，當(dāng)實(shí)時(shí)重量低于余量下限時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)至蜂鳴器，蜂鳴器立即大聲?shū)Q叫示意。另外，也可以進(jìn)行剩余電量參數(shù)設(shè)置，當(dāng)內(nèi)置電源的電量低于某設(shè)定值時(shí)，會(huì)及時(shí)報(bào)警通知用戶。當(dāng)燃?xì)夤舅蛠?lái)液化氣瓶，可使用本裝置對(duì)其進(jìn)行稱重，確認(rèn)重量是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主流程圖如圖5所示。上電后系統(tǒng)初始化并進(jìn)行電池檢測(cè)和顯示，然后分別讀取稱重傳感值和燃?xì)鈧鞲兄担⑴c事先設(shè)定的閾值作對(duì)比，一旦重量低于閾值或燃?xì)鉂舛雀哂陂撝担òl(fā)生漏氣），現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聲光報(bào)警作，并通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)皆贫恕?/p>

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 外形及安全裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，該液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置呈扁平狀，四方或圓形，在其中間位置放置液化氣瓶；稱重臺(tái)②的表面形狀為圓形。

為了避免因燃?xì)庑孤抖斐蓢?yán)重事故，設(shè)置燃?xì)鈧鞲衅鳌Ｈ細(xì)鈧鞲衅餮刂Q重臺(tái)②的外周均勻間隔設(shè)置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本裝置上放置的液化氣瓶的泄露情況，也可以監(jiān)測(cè)液化氣瓶附近的液化氣灶的泄漏情況，一旦發(fā)現(xiàn)泄露，單片機(jī)會(huì)馬上發(fā)送報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器⑥工作。

操作面板⑤設(shè)置有用于調(diào)整液化氣余量下限參數(shù)（閾值）的設(shè)置按鍵。

由于存在液化氣泄露、燃燒的隱患，為提高安全性，將內(nèi)置電源⑦設(shè)置為防爆鋰電池。裝置本體①設(shè)置有用于放置防爆鋰電池的電源室，防爆鋰電池可從電源室拆下進(jìn)行更換，非常簡(jiǎn)單快速。裝置本體還設(shè)置有鋰電池的充電接口，只需停止使用該裝置，將充電器通過(guò)電源線連接到充電接口，便可對(duì)鋰電池進(jìn)行快速充電。

本裝置還設(shè)置有報(bào)警用的指示燈⑨，與單片機(jī)相連。當(dāng)處于報(bào)警狀態(tài)，該指示燈會(huì)發(fā)出紅光并閃爍。此外，本裝置還設(shè)置了工作狀態(tài)指示燈⑩，通過(guò)該工作指示燈可了解到本裝置是否處于正常工作狀態(tài)、是否存在斷路情況。

5 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

為了解決用戶與灌裝站（燃?xì)夤荆┬畔贤▎?wèn)題，本裝置采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)置無(wú)線模塊⑧。通過(guò)WIFI接收和發(fā)送信息，整體的覆蓋范圍和傳輸穩(wěn)定性方面有著很好的優(yōu)勢(shì)。用戶可通過(guò)操作面板進(jìn)行無(wú)線連接，并且通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，以及接收本裝置通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送的信息，實(shí)時(shí)了解液化氣瓶的情況，且通過(guò)無(wú)線模塊及其應(yīng)用程序?qū)⒁夯瘹馄康闹亓啃畔l(fā)送至燃?xì)夤荆嵝鸭皶r(shí)送氣。

具體來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳輸系統(tǒng)包括部分如圖6所示。其中，設(shè)備是指基于單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置（本裝置）；云端是作為液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置云端服務(wù)平臺(tái)；客戶端是指用戶使用系統(tǒng)，包括PC與APP。

圖6 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

設(shè)備通過(guò)WIFI預(yù)置SSID（也可使用網(wǎng)線連接），通過(guò)DHCP或靜態(tài)IP配置，獲得IP地址，再通過(guò)預(yù)置服務(wù)器地址（支持IP與域名兩種形式）組播協(xié)議訪問(wèn)配置服務(wù)器地址；服務(wù)器對(duì)設(shè)備鑒權(quán)，鑒權(quán)通過(guò)后，調(diào)用配置服務(wù)接口，設(shè)備接收服務(wù)器指令并執(zhí)行配置。

用戶打開(kāi)APP，通過(guò)賬號(hào)密碼登錄，通過(guò)指定URL訪問(wèn)服務(wù)器；然后通過(guò)APP查看設(shè)備信息，通過(guò)接口形式向指定設(shè)備發(fā)起請(qǐng)求，請(qǐng)求消息經(jīng)服務(wù)器處理后觸達(dá)設(shè)備；設(shè)備根據(jù)指令，將液化氣重量信息回傳至服務(wù)器，服務(wù)器將該消息已響應(yīng)形式給到APP。

設(shè)備與服務(wù)器通信，APP與服務(wù)器通信通過(guò)要保證進(jìn)行加密解密處理，即消息經(jīng)過(guò)加密形式發(fā)送，收到消息后必須先解密才能讀取。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液化氣瓶智能稱重報(bào)警裝置，采用具有高防爆性能的內(nèi)置電源，不但可以對(duì)液化氣瓶進(jìn)行自動(dòng)電子稱重，通過(guò)顯示屏顯示液化氣瓶的重量，而且還具有液化氣泄露報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、余量低值報(bào)警、無(wú)線控制和無(wú)線發(fā)送信息的功能。液化氣瓶余量下限參數(shù)可利用操作面板靈活設(shè)定；用戶可通過(guò)手機(jī)APP對(duì)該裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并且能夠接收到該裝置發(fā)送的信息，同時(shí)，可將信息實(shí)時(shí)發(fā)送至燃?xì)夤荆?lián)絡(luò)充氣服務(wù)。本裝置具有諸多實(shí)用功能，實(shí)現(xiàn)了智能、互聯(lián)、輕便、成本低、容易推廣的目的，專門(mén)用于瓶裝液化氣用戶群體。