基于物联网的家庭燃气监控系统

彭高洁 龙馨 龙光利

摘 要：针对忘记关闭燃气阀门导致天然气泄露，从而发生失火事故、爆炸使人窒息、死亡等问题，设计了一种基于物联网的家庭燃气监控系统。利用传感器采集室内的温度、可燃气体浓度等数据，实现节点的有效信息采集，然后将这些数据发送给STM32单片机;STM32根据设定好的报警阈值对获得数据进行处理、判断;当数据超过报警阈值时输出控制信号，控制阀门的开闭，同时还可通过ZigBee传输模块将数据发送到汇聚节点;汇聚节点将数据打包后传输给终端系统，实现节点设备和终端系统之间的有效通信，与对家用燃气进行动态监控和对燃气流量使用情况的实时观察，同时还可远程操控关闭阀门。

关键词：物联网;传感器;燃气监控;ZigBee;远程操控;通信

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-020

0 引 言

随着当今时代信息技术的飞速发展，物联网技术的使用已普及到社会领域的方方面面，智能家居也逐渐走进千家万户，成为生活必需品。在这种发展趋势下，智能厨房也将成为居家做饭、日常生活的必需设施。近年来，国内燃气管网的规模逐步扩大，不论是家用炒菜还是供暖，都为人们的生活带来了很大便利，使人们生活的质量得到了明显提高。但同时也带来了诸多问题，比如偶尔忘记关闭燃气阀门导致天然气泄露，从而发生失火事故、爆炸，甚至使人窒息、死亡。由于人们居住环境以及家庭燃气表功能和特点不同，导致燃气安全监控设施相关的投入存在明显差异，而天然气使用的一大难题就是泄露问题，如果家庭内燃气发生泄漏，将造成严重的后果。考虑到燃气在接触到明火会发生火灾，给居民的人身财产安全造成难以挽回的损失，因此我国政府相关部门一直都在完善和加强关于燃气安全使用的监管工作。针对燃气监管技术以及相关治理工作存在的问题，需要采取与时俱进的科学监管方法。本文所提的方法能够实现对家用燃气的动态监控和对流量使用情况的实时观察，同时还可以远程操控关闭阀门。

1 设计方案

通过温度传感器采集室内温度、MQ-5气体传感器采集可燃气体浓度等数据，实现节点的有效信息采集，然后将这些数据发送给STM32微处理器，STM32根据设定好的报警阈值对获得的数据进行处理判断，当数据超过报警阈值时输出控制信号，控制阀门的开关，并且将数据通过ZigBee无线传输给终端系统。终端系统通过传输网络响应，对接收的数据包进行适当处理，实现节点设备和终端之间的有效通信。可在用户终端（即PC端或手机APP端）查看相关数据，或在终端发出指令，通过ZigBee传送至STM32单片机，令STM32发生动作，实现远程控制。设计的主机原理如图1所示。

2 硬件设计

本设计主要由无线传输模块、电源模块、传感器数据采集模块、蜂鸣器报警模块、LCD显示模块等组成。

2.1 无线数据传输模块

燃气属于易燃易爆气体，当今存在的燃气监测系统大都采用有线传输方式[1]，但该方法存在许多安全隐患。一些旧的燃气管理公司主要依赖劳动力、财力以及物力的大量投入完成入户安检等各项工作，不仅工作效率低下，还不能实时监控燃气安全状态[2]。所以现存的部分燃气监控系统已无法匹配当今信息化时代的要求，因此日趋成熟的ZigBee无线技术成为目前应用的首要选择，它原理简单、易于使用、稳定高效、安全性高，且维护成本相对更低。

系统基于ZigBee技术进行无线传输，是基于IEEE 802.15.4无线标准研发的一种低速短距离网络拓扑技术。系统采用ZigBee模块，以CC2530为内核。CC2530具有低功耗的特点，在无数据传输时，耗电量微乎其微，一旦有中断挂起又可以快速传输数据。

2.2 数据采集模块

MQ-5可燃气体检测传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）[3]。系统设计中加入MQ-5，当有燃气泄漏时，燃气浓度会随着时间增加而升高，MQ-5的电导率也因此增加。然后通过数模转换电路将变化转换为与燃气浓度相对应的数字信号。该传感器可以检测多种可燃性气体，成本较低[4]。

DHT11数字温湿度传感器是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DHT11通过传感技术采集当前室内的温度及湿度数据值，反馈给STM32微处理器，然后经相关电路使相关数据呈现在LCD显示屏上，同时利用无线通信发送至终端系统。

MQ-5可燃气体传感器和温度传感器的STM32微处理器接收到數据后检测、判断数据是否超过设定的预警阈值，若超过，则STM32微处理器发出指令，使报警模块工作，并自动控制燃气阀门关闭。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序

主程序流程如图2所示。

首先对STM32微处理器（MCU）进行初始化，如果STM32有触发事件，则判断是否为数据接收事件，如果不是，则对其进行中断处理;如果是数据接收事件，那么进行预警值阈值判断。若检测到温度值或燃气浓度值超过所设定的预警阈值则启动报警模块，报警结束后进入等待事件状态。

3.2 ZigBee组网流程

组网流程主要是进行程序初始化，通过按键设定设备的逻辑类型，然后复位。复位后启动协议栈，判断协议栈是否启动成功，如果失败，触发START_EVT事件继续启动协议栈，直到协议栈启动成功。之后把协调器设置成允许其他节点自动加入网络模式，建网成功[5]。ZigBee建网流程如图3所示。

4 结 语

该系统设计采用CC2530芯片，基于物联网技术对燃气的使用情况进行无线传输[6]，实时掌握待测燃气节点的温度、可燃气体浓度、流量使用等数据，弥补了之前有线监控的不足。系统可实现智能报警，在应用到智能家居的同时，也可以通过布设传感器节点应用到厂区等场所，在大大降低监管成本的同时加强对相关安全系数的监管和企业经营效率的提升。综合来看，该系统适用于家庭燃气监控，满足了人们的日常需要[7]。从更长远的角度来看，该系统可以提高城市的燃气监控系统水平，从而保证燃气的安全可靠供给。

参考文献

[1]邓金伟，段吉忠，曹荀.基于物联网技术的城市燃气监控系统研究设计[J].石油化工自动化，2015，51（4）：30-33.

[2]刘勋.基于RFID和物联网技术的燃气安全管理系统[J].建设科技，2017（16）：17-18.

[3]李静，陈金元，徐冰.基于MSP430单片机的宿舍智能防盗防火报警系统设计[J].自动化技术与应用，2014，33（1）：103-106.

[4]顾宇峰.基于PLC控制的学校宿舍抽烟监控器的设计[J].科学大众（科学教育），2014（9）：110-111.

[5]邹丽.基于ZigBee技术的智能家居无线网络设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2011.

[6]董乐.基于无线网络的智能家居系统网络节点和网关的设计与实现[D].天津：天津工业大学，2010.

[7]桑培勇.居民小区无线火灾报警系统的研究与设计[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[8]余俊峰，刘奔，程鑫.基于LoRa与NB-IoT的城市地下燃气泄漏监测系统研究[J].物联网技术，2019，9（2）：17-19.

[9]高鹤.基于物联网云平台的家庭安防监控系统[J].电子技术与软件工程，2017（16）：52-53.

[10]赵志平.基于物联网技术的城市燃气监控系统研究设计[J].数字通信世界，2017（4）：28-29.