基于物联网的燃气检测报警防护系统研究

张东娟

（江苏省扬中中等专业学校，江苏镇江，212200）

0 引言

近年来，发生了多起由于居民家中燃气泄漏造成的重特大事故，城市居民居住相对较为集中，损失极其惨重[1]。目前很多居民对燃气泄漏问题不够重视，未安装相关的燃气报警装置，或者安装的装置防护功能较为单一，不具有物联网功能，存在一定的安全隐患。

随着物联网的发展，STM32单片机和ESP8266的功能越来越强大。将它们作为主控和无线控制模块应用到燃气浓度检测防护系统中。基于物联网和嵌入式单片机技术，设计了燃气浓度检测、报警和防护系统，可实时检测室内的燃气浓度，并采取安全可靠地的措施，以保证居民的生命健康和安全。主要用于居民家中的可燃气体浓度检测和防护等。

1 系统硬件设计

本系统主要由五个模块组成，分别是控制模块、无线Wi fi模块、信息输入和显示模块、燃气浓度采集模块和报警防护模块。系统主要控制电路使用STM32单片机，ESP8266作为无线Wi fi模块。通过按键设置燃气浓度上限值，并在液晶显示屏中实时刷新显示。燃气浓度通过MQ-5气体传感器进行检测。绿色发光二极管指示电源正常接通，而红色发光二极管和蜂鸣器组成声光报警器，排风扇和电控开关作为防护装置。

■1.1 STM32

STM32单片机是一种低成本、高性能和低功耗的微型处理器，融合ARM和ST技术[2]。本系统的主要控制电路使用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6单片机。这是一种32位的微控制器，时钟频率是72MHz，有37个输入/输出引脚和多个外设功能设备。

■1.2 ESP8266

本系统选用的Wi fi模块为ESP8266-12F芯片，它不仅小巧、价格低廉，而且功能强大、高度集中、功耗低，是内置了TCP/IP协议栈的UART-Wi fi透传模块，可实现Wi fi与串口的转换。ESP8266有三种工作模式：AP模式，STA模式和AP+STA模式[3]。本设计中Wi fi模块的工作模式是STA模式，设置ESP8266，使其通过路由联入网络，将燃气浓度通过Wi fi上传给云平台，同时手机可以查看燃气实时浓度、设定上限值和燃气浓度曲线，而且可以通过物联平台给用户发送燃气泄漏报警短信。

■1.3 MQ-5气体传感器

燃气浓度的采集装置采用传感器实现燃气浓度检测。MQ-5气体传感器成本低，可以用于多种常见可燃气体的浓度检测，对液化气、天然气和煤气的灵敏度较高，有较强的抗乙醇和烟雾干扰能力。MQ-5气体传感器使用的是二氧化锡，在清洁的空气中这种气敏材料的电导率比较低。当环境中有一定的可燃气体时，它的电导率会随着可燃性气体浓度的增大而增大，可将燃气浓度转化为模拟电压量，然后通过滤波器过滤掉其中的干扰信号，将此小信号量放大后传入模数转换电路ADC0809。ADC0809与STM单片机的P1.2、P1.3和P1.4端相连将模拟电压量转化为二进制数字量，上传给主控模块STM32单片机，并比较分析燃气浓度信息。

■1.4 输入显示电路

燃气安全浓度的上限值，通过STM单片机的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5端分别与输入按键相连实现。设置键和确认键与STM单片机P3.2和P3.3端相连，而加一和减一键分别与STM单片机P3.4和P3.5端相连。显示模块选用LCD1602液晶显示屏，它是一种可显示符号、数字和字母等的点阵式液晶屏，显示容量为16×2字符。液晶屏的R/W读写选择端接地，使能端E与STM单片机的P2.3连接，数据/命令选择端RS与P2.4连接，数据口和P0口连接，实时显示燃气浓度以及安全浓度的上限值。

■1.5 输出控制电路

本系统的声光报警模块使用红色发光二极管和蜂鸣器。蜂鸣器可以发出较高穿透力的声音，控制方式简单。红色发光二极管工作的电流与电压相对较小，能够满足室内亮度要求，且抗冲击和抗震性都较好，使用寿命长。红色发光二极管与STM单片机的P2.0端相连，蜂鸣器与STM单片机的P2.1端相连，两者作为声光报警装置，指示燃气浓度超过了设定的安全值。STM单片机的P2.2和P2.3端与继电器连接，通过继电器控制排风扇和燃气总开关，实现燃气的智能防护控制。燃气浓度超过上限安全值时，通过继电器控制排气扇转动，关闭燃气开关，最大限度的降低燃气浓度。

图1 基于物联网的燃气检测报警防护系统结构图

图2 基于物联网的燃气检测报警防护系统组成

2 系统软件设计

主要控制电路选用具有32位微控制器的STM单片机，分析处理浓度设定值和经模数转换的数字量，对红色发光二极管、蜂鸣器和继电器等进行控制。本系统采用结构化设计方法编写子程序。通过传感器采集、滤波、放大和模数转换后的燃气浓度分析比较子程序。液晶显示子程序和按键查询设置子程序。声光报警、排风扇和开关动作的防护子程序。为了实时检测燃气浓度，每0.5秒使用定时器中断程序读取传感器采集、滤波、放大和模数转换后的室内实时燃气浓度数字量。同时在液晶屏和云平台中更新实时燃气浓度值。将实时燃气浓度和安全浓度上限进行比较，当发现燃气浓度超过上限安全值时，红色发光二极管导通、蜂鸣器鸣叫报警，同时控制继电器使排风扇转动，燃气总开关断开。

图3 控制装置电路原理图

图4 燃气浓度检测控制流程图

中国移动物联网开放平台，具有很强的适配性，支持使用者快速接入各类智能硬件和传感器，提供丰富的应用模板和API[4]。根据中国移动物联网开放平台的使用规范接入云平台，添加相关设备，上传数据信息，并将信息存储在云端。本设计中，串口Wi fi模块ESP8266与中国移动物联网开放平台可以进行基于HTTP协议的Restful API的双向通信，采用云平台所提供的文档格式。ESP8266数据上传使用HTTP通信协议里的POST方法，完成燃气浓度实时上传。云平台对信息进行存储、转发和处理，并显示在手机的APP监测界面中。而获取云平台监测数据反馈与报警信息则使用HTTP通信协议里的GET方法。HTTP通信协议里的POST是数据上传方法，GET方法可获取服务器的反馈报警信息，两者的编辑格式类似。

3 工作原理

接通电源，按下自锁按钮，绿色发光二极管常亮，表明电源正常接通。首先按下设置键，然后通过按下加一健或减一健调整数值，最后按下确认键，完成燃气安全浓度的上限值的设置。当室内有燃气泄漏时，MQ-5气体传感器中二氧化锡的电导率会随着燃气浓度的增大而增大，其输出的模拟电压量也随之改变。然后通过滤波电路、放大电路和模数转换电路ADC0809，将转换成的数字量传入STM32单片机进行分析与处理。STM32单片机将检测到的燃气实际浓度显示在LCD1602液晶显示屏上，并将检测到的浓度和设置的上限安全燃气浓度进行对比。同时将燃气设定浓度和实时检测浓度通过ESP8266串口Wifi模块传入物联云平台，在手机APP中实时显示当前室内燃气浓度值和设定值，并且可以查询近期燃气浓度曲线。

通过分析比较，发现燃气浓度超过上限安全值时，可以通过继电器控制排气扇转动，关闭燃气开关，并通过中国移动物联网开放平台给使用者发送燃气泄漏的报警短信。最大限度的降低燃气浓度，保证人身和财产安全。STM32单片机P2.0端子输出高电平，红色发光二极管导通发光。STM32单片机P2.1端子输出高电平，蜂鸣器鸣叫报警，指示燃气浓度超过安全值。同时P2.2和P2.3端输出高电位，使NPN型晶体管饱和导通。使连接在直流电源和集电极之间继电器1的线圈导通。继电器常开触头闭合，使室内燃气总开关断开。同理，继电器2动作，使排风扇转动，排出室内的残余燃气。

4 结束语

本文设计了一种基于STM32单片机和ESP8266的燃气浓度检测，声光报警和防护的系统，可以实时监测室内的燃气浓度，通过物联网短信及时提醒使用者燃气泄漏情况，采取有效措施自动关闭燃气总开关，并迅速排出燃气。通过使用打火机模拟家用燃气，继电器控制黄色发光二极管模拟控制燃气总开关进行了测试。本系统可以实时检测燃气浓度，并进行有效的物联网报警防护。