基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家庭燃氣閥門智能安全系統(tǒng)

章強 鄭春

摘要：物聯(lián)網(wǎng)家居在我國發(fā)展迅速，一大批智能家居逐漸涌現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上我設(shè)計出一款家庭燃氣智能安全系統(tǒng)。本產(chǎn)品采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過MQ-2氣體傳感器對空氣中燃氣進行檢測采集，從而實現(xiàn)燃氣的多處無線監(jiān)測。當監(jiān)測到燃氣泄漏時，CC2530模塊通過控制繼電器開關(guān)自動關(guān)閉電磁燃氣閥門并且蜂鳴報警器發(fā)出報警聲音，與此同時GSM移動通訊模塊向用戶發(fā)送短信提醒。本設(shè)計可廣泛應(yīng)用于家庭燃氣監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);天然氣閥門;ZigBee

中圖分類號：TP302 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0111-03

近年來，天然氣在家庭生活中使用越來越廣泛，無論是廚房還是供暖都為大家的生活帶來了便捷。但是在大家享受著天然氣帶來的便利的同時，也有一部分事故是來自于天然氣的泄漏，一旦發(fā)生天然氣泄漏就會造成火災(zāi)、爆炸、氣體中毒等危險，給人們的生活帶來了嚴重的生命財產(chǎn)安全。因此設(shè)計一個天然氣泄漏報警器尤為重要。目前市場的燃氣安全報警裝置多數(shù)只能做到發(fā)出警報和自動關(guān)閉閥門的效果，而該設(shè)計方案采用了多對一的檢測，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現(xiàn)問題的節(jié)點，以便其及時精準處理。智能燃氣安全閥門采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)燃氣的多處無線監(jiān)測[1]，同時通過GSM模塊移動通訊方式向用戶發(fā)送短信提醒。智能燃氣安全閥門設(shè)有外殼，外殼內(nèi)設(shè)有控制器，閥門控制電路，電磁燃氣安全閥門，安全閥門上有手動開關(guān)。這樣既能實現(xiàn)閥門自動關(guān)閉并且遠近程同時提醒用戶發(fā)生燃氣泄漏。

1 設(shè)計方案

首先通過 MQ-2 氣敏傳感器對空氣中燃氣濃度進行監(jiān)測;其次，通過采樣電路將監(jiān)測得到的信號轉(zhuǎn)換為電信號通過ZigBee[2]終端設(shè)備控制電路對所得電信號進行識別，若識別結(jié)果表明天然氣濃度未超標，則繼續(xù)對空氣中天然氣濃度進行監(jiān)測，若識別結(jié)果表明天然氣濃度超標，終端設(shè)備上的蜂鳴報警器響起，同時則將信號傳遞至 ZigBee 協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器控制繼電器開關(guān)，繼電器控制燃氣電磁閥門關(guān)閉，GSM模塊收到開始工作向用戶發(fā)送報警信息，報警信息將以短信的形式發(fā)送至用戶手機。該設(shè)計使用多個ZigBee終端做到可以實現(xiàn)多處同時監(jiān)測，用戶通過每個終端上的蜂鳴報警器能夠及時發(fā)現(xiàn)是哪個終端檢測到了燃氣泄漏，從而及時精確的處理燃氣泄漏[3]。設(shè)計原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計主要由ZigBee無線信息傳輸模塊、繼電器、電源模塊、GSM模塊、MQ-2氣體傳感器模塊、蜂鳴報警器模塊、天然氣電磁閥門等組成。

2.1 無線信息傳輸模塊

無線信息傳輸模塊使用的是ZigBee模塊，ZigBee模塊是目前物聯(lián)網(wǎng)最新的無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)多臺終端設(shè)備對一臺設(shè)備的信息傳輸，適用在信息傳輸距離短，對傳輸速率要求不高的電子設(shè)備。該模塊功耗低，兩節(jié)普通5號電池可使用6～24個月、成本低、時延短、信息傳輸可靠[4]。完全適用于家庭燃氣安全使用。

2.2 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器使用的材料是屬于在純凈空氣中導電率非常低的二氧化錫，該材料本身屬于無機物，化學穩(wěn)定性強不溶于水，也難溶于酸堿溶液，所以很適合在家庭中的一些元器件材料中使用。當空氣中存在可燃氣體時，該傳感器的導電率就會因空氣中可燃氣體的濃度變化而變化，具體變化呈線性的變化關(guān)系。使用簡單的芯片就可以采集導電率的變化并且通過關(guān)系計算將該變化變成具體的氣體濃度變化傳遞給使用者。該氣體傳感器性價比高，使用于家庭燃氣的泄漏檢測。

MQ-2氣體傳感器模塊在沒有可燃氣體的影響下并且氣體的濃度沒有超過安全濃度范圍時，氣體模塊數(shù)字接口輸出一個高電平，模擬電平接口電壓基本為0V左右，當空氣中氣體影響超過設(shè)定安全值時，氣體模塊數(shù)字電平接口輸出低電平，模擬接口輸出的電壓會隨著氣體的影響逐漸增大;數(shù)字量輸出口可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，從而來判斷空氣中是否存在燃氣泄漏。

2.3 電磁閥門

天然氣屬于易燃氣體，若閥門使用的是簡單的電路控制本身就會存在非常大的安全隱患，因此在這里我的設(shè)計采用的是電磁閥門，電磁閥門本身結(jié)構(gòu)簡單，密封性良好使用的是開關(guān)信號進行控制，從而避免了高電流帶來的潛在危險，控制起來也非常的方便，電磁閥門的響應(yīng)時間可以短至幾毫秒，在燃氣泄漏時被檢測到的瞬間便可關(guān)閉燃氣閥門。

2.4 繼電器電路控制

繼電器和電磁閥門、GSM通訊模塊串聯(lián)在電路上，繼電器相當于電路的電源以及開關(guān)[6]，當繼電器收到ZigBee協(xié)調(diào)器[5]的信號時會打開開關(guān)并且給電路通電，此時電磁閥門會收到電信號立刻關(guān)閉閥門，GSM模塊開始工作給用戶手機發(fā)送報警短信，這樣設(shè)計的理念就是做到閥門關(guān)閉和報警信息同時進行。具體電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)主流程

打開系統(tǒng)，ZigBee協(xié)調(diào)器會進行初始化，當初始化成功時，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。MQ-2氣體傳感器會一直采集數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的安全閾值時會觸發(fā)事件，此時繼電器導通給電磁閥門一個電信號[7]，閥門自動關(guān)閉并且GSM模塊開始工作向用戶發(fā)送報警短信。MQ-2氣體傳感器對應(yīng)的蜂鳴器會發(fā)出報警聲，可提示用戶是哪個終端檢測到了燃氣，從而得知是哪個地方的燃氣發(fā)生了泄漏。流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee聯(lián)網(wǎng)

ZigBee協(xié)調(diào)器和終端進是根據(jù)CC2530芯片GPI0配置基于GenericApp無線收發(fā)進行多終端點播通信，在硬件連接無誤后使用IAR集成開發(fā)環(huán)境將代碼燒至芯片中，然后進行開機初始化[8]。當終端組網(wǎng)成功后，首先會調(diào)用已經(jīng)編寫好的函數(shù)上傳自己的短地址，接著啟動一個周期采集的定時器，定時器超時，調(diào)用采集無線發(fā)送函數(shù)。ZigBee終端采集環(huán)境中的氣體，無線上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接受終端的數(shù)據(jù)并且能夠顯示氣體濃度的大小。實驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

3.3 MQ-2氣體傳感器工作原理

正確連接MQ-2氣體傳感器和ZigBee終端，VCC：接電源正極（5V）、GND接電源負極、D0：數(shù)字信號，接P1_5、A0：模擬信號輸出，本設(shè)計接P06口上。接線原理如圖6所示。

因ZigBee協(xié)議棧[1]自帶有ADC采樣的代碼，我們只要把相關(guān)的宏開關(guān)打開即可。首先我們打開對應(yīng)的工程文件，在對應(yīng)的目錄下打開ADC定義為TRUE就可以使用ADC了。通過文件里的方法可以讀出對應(yīng)IO口上的ADC電壓值。在終端聯(lián)網(wǎng)成功后啟動定時器，終端定時器超時啟動采樣，對MQ-2氣體傳感器的AO口輸出的電壓轉(zhuǎn)換成0～100的數(shù)，此時的數(shù)就是對應(yīng)的氣體濃度，值越大濃度越高。

3.3.1傳感器的計算

[Rs=VcVr-1×Ra]

式中Vc為回路電壓，Vr是傳感器輸出電壓即U，Ra是電阻所承受的阻值，根據(jù)上式的計算就能算出傳感器電阻Rs的阻值大小。

MQ-2氣體傳感器導電率的大小是隨著空間中易燃氣體的濃度增大而增大，因為電阻和電導率是相反的關(guān)系，所以電阻是隨著氣體濃度增大而減小的，其特性和滑動變阻器特性差不多。

[U=ReRe+Rs×Vc]

Vc為串聯(lián)電路中所有電壓之和，也就是電源電壓，該電壓是加在氣體傳感器的1引腳和3引腳之間的。U的大小是氣體傳感器4引腳和6引腳的輸出電壓，Rs為傳感器的體電阻。

阻止R與空氣中被檢測到的氣體濃度C的數(shù)值關(guān)系式

[logR=m×logC+n]（m、n均為常數(shù)）

常數(shù)n：與此時的氣體檢測濃度的大小有關(guān)，除了與我們的氣體傳感器材料和氣體本身的性質(zhì)或者特點不同而變化之外，還會由于當時所處環(huán)境的溫度和催化劑的不同而發(fā)生比較大并且明顯的變化。

常數(shù)m：表示根據(jù)環(huán)境中氣體濃度因而發(fā)生變化的氣體傳感器的靈敏度。對于易燃性氣體來說，m的數(shù)值大多數(shù)在1/2至1/3之間。

3.4 繼電器控制

使用CC2530芯片GPI0的配置方法控制繼電器模塊。繼電器有一個5V是接口，是通過P0_5經(jīng)過三極管把3V的控制信號變成5V的控制信號實現(xiàn)的。從圖7可以看出，P0_5為低電平的時候三極管不同，繼電器的控制腳為高電平（J9的3腳）;當P0_5為高電平的時候，三極管導通，繼電器的控制腳為低電平。

繼電器的信號口連接ZigBee協(xié)調(diào)器，低電平的時候繼電器中的觸點會斷開，高電平的時候繼電器中的觸點會吸合，并且繼電器中觸點的吸合會有指示燈提醒。通過這個原理，當ZigBee協(xié)調(diào)器收到終端的氣體濃度過高的信號，協(xié)調(diào)器會給繼電器一個高電平使得電磁閥門關(guān)閉和GSM通信模塊工作。

4 系統(tǒng)測試及應(yīng)用效果

硬件系統(tǒng)搭建完成后，首先檢查電路連接是否安全，各個模塊及傳感器線路連接是否正確，防止開機就被燒壞。當檢查一切無誤之后，打開電源開關(guān)測試軟件效果。電源開啟后，系統(tǒng)會自動讀取ADC，兩個ZigBee終端會自動連接ZigBee協(xié)調(diào)器并采樣分析，此時協(xié)調(diào)器上的LCD顯示器上也會顯示各個終端上MQ-2氣體傳感器的數(shù)值。這時的系統(tǒng)運行是正常的。這時我們可以使用打火機的氣體進行模擬燃氣泄漏，我們可以將兩個ZigBee終端及協(xié)調(diào)器放置在不同的房間從而模擬不同的地方。我們在任意一個終端處使用打火機的氣體湊近氣體傳感器觀察對應(yīng)的終端蜂鳴報警器會不會發(fā)出聲響，同時燃氣閥門是不是快速關(guān)閉，用戶手機是不是能收到報警短信。如果所有的功能都實現(xiàn)了則證明系統(tǒng)正常。

4.1 測試結(jié)果

1）能對天然氣泄漏進行有效的監(jiān)測。

2）自動關(guān)閉燃氣閥門。

3）向用戶發(fā)送報警信息。

4）對應(yīng)的終端蜂鳴報警器響應(yīng)。

5 結(jié)束語

目前的天然氣的使用非常的普遍，該設(shè)計解決了現(xiàn)有智能燃氣安全監(jiān)測系統(tǒng)模式單一、不安全、不可靠，不能及時發(fā)現(xiàn)隱患的技術(shù)問題[3]。目前市場的燃氣安全裝置大多數(shù)只能做到發(fā)出警報和自動關(guān)閉閥門的效果，而我們采用了多對一的檢測，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現(xiàn)問題的節(jié)點，以便其及時精準處理。在對該設(shè)計進行安裝時，難免會遇見一些狹小黑暗的空間，我們可以采用一種照明手套來應(yīng)付這種環(huán)境，該照明手套在大拇指第一關(guān)節(jié)處和食指第二關(guān)節(jié)處裝有LED燈，能有效提供照明并且不影響手指操作的靈敏性。該設(shè)計適用場景十分廣泛，例如可應(yīng)用到酒店、別墅、居民社區(qū)、工廠、辦公大樓、商業(yè)中心等等，符合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)家居潮流[9]，極大地改變了我們現(xiàn)有的生活方式，并且對燃氣安全問題有非常好的監(jiān)測效果，有較好的社會經(jīng)濟安全效益。

參考文獻：

[1] 李明，王睿，石磊.一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（1）：91-94.

[2] 李欣.基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（1）：158-159.

[3] 郭秀麗，陶曾杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣火災(zāi)報警控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2020（21）：173-174.

[4] 王權(quán)平，王莉.ZigBee 技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2004，34（1）：33-37.

[5] 任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2007，43（6）：143-145.

[6] 魏恩偉，張之涵，溫克歡，等.基于智能家居系統(tǒng)的智能插座設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（12）：82-84，88.

[7] 劉勛.基于RFID和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃氣安全管理系統(tǒng)[J].建設(shè)科技，2017（16）：17-18，23.

[8] 邱凌.淺談智能家居[J].網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用與自動化，2008（5）：1-2.

[9] 高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].電器與效能管理技術(shù)，2005（4）：18-21.

【通聯(lián)編輯：梁書】