基于STM32开发平台的燃气报警系统设计方法

摘  要：文章提出了一种燃气和烟雾的检测、报警及控制系统的设计方法。该系统主要分为两个部分：第一部分，以STM32开发平台为核心控制单元，控制气敏传感器、温度传感器、烟雾传感器等，对室内的燃气和烟雾浓度进行检测;第二部分，进一步建立网络监控及通信模块，及时向用户反应现场情况，用户可以通过互联网控制相关设备，如电磁阀、灭火、除烟等及时控制住现场情况，文章就以上两部分提出了设计思想。

关键词：STM32开发平台;物联网;传感器;燃气报警

中图分类号：TU855;TP274       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0175-03

Abstract：This paper presents a design method of gas and smoke detection，alarm and control system. The system is mainly divided into two parts：the first part，with STM32 development platform as the core control unit，controls the gas sensor，temperature sensor，smoke sensor，etc. To detect the indoor gas and smoke concentration;the second part，the network monitoring and communication module is established on the open source system，which can timely report the site situation to users，and users can connect with each other network control related equipment，such as solenoid valve，fire fighting，smoke removal and other equipment，timely control the site situation. This paper puts forward the design ideas of the above two parts.

Keywords：STM32 development platform;internet of things;sensor;gas alarm

0  引  言

近些年，人工智能技术发展迅速，与之相关的行业也随之快速进步。在新形势下，智能家居行业会越来越壮大，随着人类生活水平的不断改善，天然气等易燃易爆气体的使用量也逐年增加，因此随之产生的安全隐患是目前亟须解决的问题，例如燃气泄漏引发的煤气中毒、火灾等事故。本文在传统报警器的基础上进行了改进并与新技术进行融合，在加强其安全性能的同时，设计了云端数据库，供燃气用户和燃气供给公司分析管理，将有利于智能家居行业的扩充，在很大程度上促进物联网和能源行业的数据与技术融合，可以有效地减少燃气使用事故，提高燃气使用可靠性，实时控制各种容易造成二次危害的设备，保障人员及财产的安全，具有广泛的应用前景。

传统的燃气报警器是基于核心原件气敏传感器来探测燃氣浓度的，当它检测空气中的燃气浓度超过设定的安全值就会触发报警，但是如果用户不能及时关闭燃气阀，就容易导致灾难发生。为了解决以上问题，本文研究了一种新型燃气报警系统，该系统既能够实现报警效果，又能够远程控制相关设备对事故进行制止，系统不仅包括烟雾、燃气报警装置，还包括远程控制装置，能够达到及时控制火情，及时关闭危险设备的目的。

本文的研究目的在于采用STM32开发平台以及相关传感器，提出一种既能敏锐感应燃气泄漏进行报警，能够通过移动端远程监控现场，又能够远程控制现场情况，并将事故数据上传至云端进行分析的新型燃气报警系统设计思路。由于本系统涉及的传感器较多、占用端口较多，因此采用大容量的STM32开发平台作为核心控制单元，同时外接驱动板提高驱动电压。本人长期研究智能电子产品的开发、半导体传感器开发等，能够用STM32开发平台控制传感器、摄像头、电磁阀等外部设备，开发各种智能电子产品。燃气报警器是一种常见的电子系统，但是在此基础上能够进一步远程控制摄像头、电磁阀、灭火装置等外部设备的电子系统尚未出现，本文使用STM32开发平台充分开发以上外部设备，提出了一种新型燃气报警系统的设计思路，并提出了该系统工作流程。

1  理论基础

1.1  通信模块

以Wi-Fi模块、SIM卡模块等为基础，将其搭载到STM32开发平台上，可以实现通信的目的。模块通过I2C、USART、UART等方式连接到STM32开发平台接口上，并搭载相应的控制程序。通过网络模块可以实现人机互联、物物互联，进而实现对燃气报警系统的监测、预防和控制的目的。

1.2  智能控制

智能控制可以通过STM32开发平台和相关传感器实现，达到不用人为操作就可以智能地对附属设备进行实时控制的目的，实际上是以互联网为基础用计算机模仿人类控制行为的一种有效手段。智能控制的核心在于顶层STM32开发平台的设计，相关控制程序、计算解码程序、系统实施程序等都以编码的形式存储于STM32开发平台之中，该过程需要用到程序设计、嵌入式开发、深度学习等重要技术手段，达到系统控制智能化的目的。

在本设计中，智能控制主要用于操作电磁阀、通信模块、通风装置、灭火装置等，对现场情况进行控制，阻止事故的进一步发生。同时，在燃气事故处理完毕后，可以通过通信模块将系统数据上传至云端将事故产生的原因、应对方法等通过深度学习进行整理，并及时提醒用户燃气使用的注意事项，以及如何应对燃气泄漏的再次发生等。

1.3  硬件设备

本系统用到了气敏传感器、摄像头、图像传感器、电磁阀等硬件设备，可以辅助系统及时准确地完成燃气的检测和控制，如图1所示。气敏传感器主要利用半导体材料二氧化锡等多孔结构，以及吸附性强等特点进行工作。当半导体压电材料表面由于吸附作用产生了一层相关气体薄膜时，其表面电阻会随之发生变化，进而引起表面电荷量的改变，并且电荷量的值会随着被检测气体浓度的改变而发生变化，因此通过监测材料表面的电导率或者电荷量就可以达到气体浓度测试的目的，当达到检测阈值时会触发报警器报警。

摄像头是燃气报警系统的前端设备，包括固定镜头调节型、自动镜头调节型、自动改变聚焦型、自动倍数调节型等几种类型，在传感器系统中有广泛的应用。图像传感器包括CCD和CMOS两种类型，其中CCD为电荷耦合器件，由PN结组成;CMOS为互补金属氧化物半导体，由半导体硅材料经过复杂的半导体制备工艺制备而成，对电荷的变化极其敏感，因此可用于信号处理和成像。数/模转换器可以实现数字信号和模拟信号的相互转换，将图像、声音等信号转换为数字信号，方便信号的传输，在基于STM32开发平台的控制系统中有着关键的作用。

电磁阀是一种通过电磁感应实现阀门开合的重要器件，在通电条件下电磁铁有很强的磁性，可以牢牢吸引住衔铁，使阀门处于打开状态。当事故发生时，用户通过移动端连接通信模块，控制STM32开发平台相关引脚使电磁阀断电，在衔铁弹簧的作用下可以使电磁阀关闭，控制住燃气进一步泄漏。

2  设计方法

图2是基于STM32开发平台的新型燃气报警系统结构图，主要包括STM32开发平台、摄像头、气敏传感器、通信模块、灭火装置、电磁阀和云端等部件。

气敏传感器用于采集燃气和烟雾等信息，如果达到报警阈值，会触发报警器，报警信息会通过通信模块传到用户移动端上。此时，需要通过摄像头观察现场情况，确定是否实际发生燃气事故，用以排除报警器误报的情况。当确定实际发生燃气事故时，需要通过用户移动端应用，控制STM32开发平台触发燃气电磁阀关闭、通风装置打开、灭火装置打开等操作，对现场情况进行控制，阻止事故的进一步发生。燃气事故处理完毕后，系统数据可通过网络上传至云端，将事故产生的原因、应对方法等进行整理，并及时提醒用户燃气使用的注意事项，以及如何应对燃气泄漏的发生。本设计通过STM32开發平台，可以采用库函数、寄存器等开发方式，同时控制多个传感器和端口对以上设计方法进行实现。由于STM32开发平台的驱动电压并不高，因此在控制灭火装置时需采用驱动板来提高驱动电压，其他端口的驱动均可通过STM32开发平台实现。STM32开发平台有很多系列和型号，本设计采用大容量的STM32开发平台为核心控制单元，控制时需要使用大量的外设头文件，摄像头使用的外设头文件为：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "lcd.h"

#include "usart.h"

#include "string.h"

#include "ov7725.h"

#include "ov7670.h"

#include "tpad.h"

#include "timer.h"

#include "exti.h"

#include "usmart.h"

根据设计思路，可得到本设计的流程图，如图3所示。新型燃气报警系统在正常情况下处于休眠状态，传感器处于初始化状态。当气敏传感器感应到燃气泄漏时，产生的电信号将作为中断源唤醒STM32开发平台。当判定无燃气泄漏时，传感器需重新进入判定，当判定确有燃气泄漏时，将触发报警器报警，并且电磁阀关闭，切断气源。

此时燃气泄漏虽然已经被切断，但是不能保证是否发生火灾，因此需要继续执行下面的程序。初始化摄像头后，可以通过移动端远程连接摄像头观察现场情况，若观察无火灾产生，需通过移动端再次发出中断信号，触发电磁阀关闭，再次保证天然气阀门处于关闭状态。若用户通过移动端观察有明火产生，需要继续执行程序，通过移动端开启灭火装置，为了保证灭火装置确实触发，此时需要进行判定。事故处理完毕后，将实时数据整理上传至云服务器中，并将燃气泄漏产生的原因进行整理，防止再次产生同样的事故。

3  结  论

本文以STM32开发平台为基础，研究了一种能够监测和控制的燃气报警系统的设计方法，并提出了设计思路。该系统能够实时监测室内的气体和烟雾情况，并通过互联网将信息传输到移动端，方便用户及时掌握室内燃气和烟雾情况并及时进行控制。本设计采用大容量的STM32开发平台为核心控制单元。该系统能够远程控制灭火装置、电磁阀等设备对现场情况进行控制，保障燃气使用安全。

参考文献：

[1] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM 32F103开发与应用 [J].微计算机应用，2010，31（12）：59-63.

[2] 张旭，亓学广，李世光，等.基于STM32电力数据采集系统的设计 [J].电子测量技术，2010，33（11）：90-93.

[3] 钟智杰，杨昊旋，崔鹏，等.基于STM32的智能四轮全向移动可重构避障机器人 [J].传感器与微系统，2020，39（9）：112-115+118.

作者简介：陈永佳（1991.03—），男，汉族，陕西西安人，助教，硕士，主要研究方向：半导体电子器件及微控制器技术与应用。