煤气泄漏自动巡检系统设计

包志鹏 杨会保

摘 要：设计了煤气泄漏巡检系统，采用STM32作为主要控制单元，以小车为载体，实时采集环境的煤气浓度信息，当检测煤气泄漏时，启动声光报警机制，可实现自动寻迹巡检以及手动控制巡检，通过蓝牙通讯模块，在上位机端实现输入指令使小车是实现定时巡检设置功能，及时制止煤气泄漏事件的发生。

关键词：煤气泄漏，STM32，自动寻迹巡检，蓝牙通讯

1 背景

近年来煤气的普及使用给人们带来了极大的便利，但是安全性问题也随之增加。煤气泄漏所引起的爆炸，中毒和火灾事故频频发生，这在某种程度上增加了城市以及国家的不安全性和不稳定性因素。目前检测煤气是否泄漏的传感器有一个比较很大的局限性，煤气泄漏到一定的浓度才能检测的到，并且还被限制了地域，需要安装在灶台周围很小的地域才能检测到。同时，报警声不一定能被听见，其次，若用户在听到报警声一段时间后进入厨房关闭燃气，可能会发生更大的安全事故。并且随着国民经济的不断发展，工业、城市建设、社区居民对燃气需求量的不断加大，城市燃气安全运行日益凸现重要性。煤气泄漏会使人民的生命财产的遭受巨大损失，因此必须定期巡检。早期的燃气管网巡检，主要是通过人工携带检测仪，巡检工作量巨大，效率低，而且无法保障巡检人员工作质量。因此，为了减少甚至杜绝此类事件的发生，急需制作一种能够实现自动寻迹寻迹及远程控制巡检的煤气检测报警系统。现如今，随着各领域的需求不断的增大，生产力也必须随之变快，且在效率加快的前提下准确性也是最基本的要求。因此单片机和无线蓝牙通讯技术可以有效的解決人工采集方法下的短板问题，并且此技术简单易懂为人们所能接受，而且能够实现远程监测，广泛地应用于煤气监测系统当中。

2 系统设计

2.1硬件设计

分为七部分，分别由STM32单片机控制模块、煤气采集模块、寻迹检测模块、蓝牙通讯模块、声光报警模块、电机驱动模块及电源模块组成，其系统总体框图如图1所示：

气体传感器采集环境的煤气浓度信息，经过内部集成的A/D模块转换为数字信号后，将其输入至STM32单片机，控制模块对传感器采集的信号进行分析，驱动蓝牙通讯模块将采集的环境煤气浓度信息传输至上位机。从而实现在上位机上实时监测环境的煤气浓度数值功能。红外光电传感器用于检测寻迹轨道，单片机驱动电机的左右轮转动，实现自动寻迹巡检功能。当采集到的煤气浓度超出设定的报警阈值时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫，LED灯亮起，实现声光报警功能。用户通过上位机输入巡检间隔时间控制信号，通过蓝牙传输至单片机，单片机接收控制信号，驱动电机工作，从而实现远程定时巡检功能。

2.1.1单片机控制模块

STM32是增强型的STM系列单片机，芯片主要实现逻辑运算以及烧写可编程程序后执行相应的操作。芯片数据支持重复擦写，擦写次数可达数千次。整个单片机系统与外部模块的通信方式为串口信号通信，能够兼容市面上绝大多数功能模块的通信类别。本设计采用的是STM32F103C8T6单片机芯片作为主控芯片。

2.1.2煤气采集模块

煤气的主要成分是CO，CO传感器的研究和应用方面达到了很高水平，形成了多系列多品种的产品。相比之下我国的研究和应用比较滞后，特别在产品开发上亟待加强。CO 传感器的选择。市面上主流的有MQ系列的2，5，7，9，m2cs4524。本设计中，对于煤气浓度的采集选用气体传感器MQ-2模块。MQ-2传感器广泛用于于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置，使用简单案例丰富。MQ-2气体传感器采用二氧化锡组成的气敏材料，当空气中检测气体浓度的增加时，传感器的电导率会随之增大，模块加上电压通过比较器等电路即可实现将材料电导率的变化转换为电压信号的变化。MQ-2将采集的煤气浓度变化转换成电压信号的变化，输出至AD转换模块转换成数字信号至单片机，单片机控制模块通过分析，可以换算得出空气中的煤气浓度数值。

2.1.3寻迹检测模块

蓝牙通讯模块选择使用HC06模块，每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方可收发数据。当上位机发送数据是，上位机通过TTL电路与此时主端蓝牙连接向与单片机连接的从端蓝牙通讯，当上位机接受数据，单片机发送数据时则相反。实现单片机控制模块与上位机之间的数据通信功能，单片机将采集数据传输至上位机，同时单片机接收上位机输入的控制信号，实现双向通信功能。HC06作为蓝牙作为无线通信模块应用非常广泛，不仅可以进行数据传输，而且能够进行数据共享，还允许用户自己修改ROM，具有功耗较低，成本较低，但性能较好，因此在无线数据监测和控制系统中被广泛应用。

2.1.4电机驱动模块

电机驱动控制器选用L298，该芯片驱动能力强，性能稳定，广泛地应用于各类电机控制系统，该驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高压平时有效，当ENA为低电平，电机停止转动;当ENA为高电平，IN1和IN2输入“00”状态时，电机为制动状态;当ENA为高电平，IN1和IN2输入“01”状态时，电机为正转状态;当ENA为高电平，IN1和IN2输入“10”状态时，电机为反转状态;当ENA为高电平，IN1和IN2输入“11”状态时，电机为制动状态。如表一所示：

2.2软件设计

总体软件流程是由整体架构按照主程序加模块化的子程序设计思路来组成。明确软件程序所要需要调用的资源及所预期的处理结果，通信方式采用全双工的异步蓝牙通讯模式，由上位机进行定时巡检的时间设定，再有蓝牙模块进行发送和接受到单片机上，进行循迹时通过检测黑线来判断路径，同时气体检测模块检测气体含量并反馈，当超过一定值时进行声光报警。

2.2.1系统主程序流程图

首先给STM32单片机控制板通电后，主程序最先需要进行系统初始化，包含传感器配置、GPIO端口定义以及串口初始化，保证单片机与上位机端能够进行正常通信。完成初始工作后，循环采集传感器的检测数据，读取红外传感器检测数据、及经气体传感器及A/D转换之后传输的煤气浓度数据，接着程序通过蓝牙通信模块，将煤气浓度信息上传至上位机平台，实现远程监测功能。然后调用循迹检测函数，判断是否检测到黑线，若是，则主程序调用循迹算法程序，然后调用电机驱动程序，单片机输出PWM波控制左右电机工作，实现在循迹任务。然后程序进入判断函数，判断环境中煤气浓度是否达到设定的报警阈值，MQ-2传感器数字口输出低电平使得声光报警下降沿低电平触发蜂鸣器鸣叫，LED灯亮起，实现声光报警功能。同时触发中断上传当前位置信息，然后程序进入判断函数，判断上位机指令是否发出，若是，则通过无线通讯模块传输控制指令，单片机完成定时巡检功能。然后主程序跳出判断函数，循环至传感器采集程序。系统主程序流程图如图2所示。

2.2.2蓝牙通讯程序设计

蓝牙通讯模块选择使用HC06模块，实现单片机控制模块与上位機之间的数据通信功能，单片机将采集数据传输至上位机，实现数据上传。同时单片机接收经过蓝牙通讯模块上位机输入的控制信号，实现双向通信功能。初始化完成后程序进入待机状态等待中断的发生，中断函数内，传感器采集的数据，由单片机处理后有蓝牙通讯模块上传至上位机，并在上位机上实现数据显示。流程图如图3所示。

3 系统测试

首先保证协调器最小系统的稳定运行，后对各个独立的子功能模块进行性能测试，是否按照预期的功能实现，若某个模块不可用，可单独对该模块的电源输入、信号传输等方面进行逐项排查，最终目的实现整个硬件系统的基本功能完好。调试上电前有一个很重要的细节就是要对电压点的对地阻抗进行测量，若出现阻抗为零，则表明电源有短路状况务必解决此不良后方可上电。子功能模块的通信信号收发也同样是调试的关键，可通过加入串口收发工具接到PC端上对其进行监控，便于判断具体信号传输异常出现的步骤。在确保电路板没有焊接错误的情况下，接通电源。把完整的电路按照功能划分为小模块并分别对它们进行调试，只有每个功能的模块都能完整运行后，才能确保后面的整机联调可以顺利的进行。

单片机通过蓝牙将采集的煤气浓度数据传输至上位机端，并且当气体浓度达到设定值之后，打开上位机进行串口连接设置，完成后，可观察到煤气浓度数据和位置信息，上位机界面图如下图4所示。

4、结论

通过对系统的软件设计和调试，说明设计的可行，达到了设计要求。

参考文献：

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作者简介：

包志鹏（1997—），男，浙江丽水人，学生，电气工程及其自动化专业;杨会保（1974-）通讯作者，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统应用。

基金项目：2019年国家级大学生创新业训练计划项目（项目编号：1913001022）