基于ZigBee网络的家庭燃气阀门智能安全系统

章强 郑春

摘要：物联网家居在我国发展迅速，一大批智能家居逐渐涌现，在此基础上我设计出一款家庭燃气智能安全系统。本产品采用ZigBee网络技术通过MQ-2气体传感器对空气中燃气进行检测采集，从而实现燃气的多处无线监测。当监测到燃气泄漏时，CC2530模块通过控制继电器开关自动关闭电磁燃气阀门并且蜂鸣报警器发出报警声音，与此同时GSM移动通讯模块向用户发送短信提醒。本设计可广泛应用于家庭燃气监测。

关键词：物联网技术;天然气阀门;ZigBee

中图分类号：TP302          文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）05-0111-03

近年来，天然气在家庭生活中使用越来越广泛，无论是厨房还是供暖都为大家的生活带来了便捷。但是在大家享受着天然气带来的便利的同时，也有一部分事故是来自于天然气的泄漏，一旦发生天然气泄漏就会造成火灾、爆炸、气体中毒等危险，给人们的生活带来了严重的生命财产安全。因此设计一个天然气泄漏报警器尤为重要。目前市場的燃气安全报警装置多数只能做到发出警报和自动关闭阀门的效果，而该设计方案采用了多对一的检测，安全性和可靠性更高，并且可以精确到出现问题的节点，以便其及时精准处理。智能燃气安全阀门采用ZigBee技术实现燃气的多处无线监测[1]，同时通过GSM模块移动通讯方式向用户发送短信提醒。智能燃气安全阀门设有外壳，外壳内设有控制器，阀门控制电路，电磁燃气安全阀门，安全阀门上有手动开关。这样既能实现阀门自动关闭并且远近程同时提醒用户发生燃气泄漏。

1 设计方案

首先通过 MQ-2 气敏传感器对空气中燃气浓度进行监测;其次，通过采样电路将监测得到的信号转换为电信号通过ZigBee[2]终端设备控制电路对所得电信号进行识别，若识别结果表明天然气浓度未超标，则继续对空气中天然气浓度进行监测，若识别结果表明天然气浓度超标，终端设备上的蜂鸣报警器响起，同时则将信号传递至 ZigBee 协调器，由协调器控制继电器开关，继电器控制燃气电磁阀门关闭，GSM模块收到开始工作向用户发送报警信息，报警信息将以短信的形式发送至用户手机。该设计使用多个ZigBee终端做到可以实现多处同时监测，用户通过每个终端上的蜂鸣报警器能够及时发现是哪个终端检测到了燃气泄漏，从而及时精确的处理燃气泄漏[3]。设计原理如图1所示。

2 硬件设计

本设计主要由ZigBee无线信息传输模块、继电器、电源模块、GSM模块、MQ-2气体传感器模块、蜂鸣报警器模块、天然气电磁阀门等组成。

2.1 无线信息传输模块

无线信息传输模块使用的是ZigBee模块，ZigBee模块是目前物联网最新的无线通信技术，可以实现多台终端设备对一台设备的信息传输，适用在信息传输距离短，对传输速率要求不高的电子设备。该模块功耗低，两节普通5号电池可使用6～24个月、成本低、时延短、信息传输可靠[4]。完全适用于家庭燃气安全使用。

2.2 MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器使用的材料是属于在纯净空气中导电率非常低的二氧化锡，该材料本身属于无机物，化学稳定性强不溶于水，也难溶于酸碱溶液，所以很适合在家庭中的一些元器件材料中使用。当空气中存在可燃气体时，该传感器的导电率就会因空气中可燃气体的浓度变化而变化，具体变化呈线性的变化关系。使用简单的芯片就可以采集导电率的变化并且通过关系计算将该变化变成具体的气体浓度变化传递给使用者。该气体传感器性价比高，使用于家庭燃气的泄漏检测。

MQ-2气体传感器模块在没有可燃气体的影响下并且气体的浓度没有超过安全浓度范围时，气体模块数字接口输出一个高电平，模拟电平接口电压基本为0V左右，当空气中气体影响超过设定安全值时，气体模块数字电平接口输出低电平，模拟接口输出的电压会随着气体的影响逐渐增大;数字量输出口可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，从而来判断空气中是否存在燃气泄漏。

2.3 电磁阀门

天然气属于易燃气体，若阀门使用的是简单的电路控制本身就会存在非常大的安全隐患，因此在这里我的设计采用的是电磁阀门，电磁阀门本身结构简单，密封性良好使用的是开关信号进行控制，从而避免了高电流带来的潜在危险，控制起来也非常的方便，电磁阀门的响应时间可以短至几毫秒，在燃气泄漏时被检测到的瞬间便可关闭燃气阀门。

2.4 继电器电路控制

继电器和电磁阀门、GSM通讯模块串联在电路上，继电器相当于电路的电源以及开关[6]，当继电器收到ZigBee协调器[5]的信号时会打开开关并且给电路通电，此时电磁阀门会收到电信号立刻关闭阀门，GSM模块开始工作给用户手机发送报警短信，这样设计的理念就是做到阀门关闭和报警信息同时进行。具体电路如图3所示。

3 软件设计

3.1系统主流程

打开系统，ZigBee协调器会进行初始化，当初始化成功时，系统进入正常工作状态。MQ-2气体传感器会一直采集数据，当发现数据超过设定的安全阈值时会触发事件，此时继电器导通给电磁阀门一个电信号[7]，阀门自动关闭并且GSM模块开始工作向用户发送报警短信。MQ-2气体传感器对应的蜂鸣器会发出报警声，可提示用户是哪个终端检测到了燃气，从而得知是哪个地方的燃气发生了泄漏。流程图如图4所示。

3.2 ZigBee联网

ZigBee协调器和终端进是根据CC2530芯片GPI0配置基于GenericApp无线收发进行多终端点播通信，在硬件连接无误后使用IAR集成开发环境将代码烧至芯片中，然后进行开机初始化[8]。当终端组网成功后，首先会调用已经编写好的函数上传自己的短地址，接着启动一个周期采集的定时器，定时器超时，调用采集无线发送函数。ZigBee终端采集环境中的气体，无线上传至协调器，协调器接受终端的数据并且能够显示气体浓度的大小。实验模型如图5所示。

3.3 MQ-2气体传感器工作原理

正确连接MQ-2气体传感器和ZigBee终端，VCC：接电源正极（5V）、GND接电源负极、D0：数字信号，接P1_5、A0：模拟信号输出，本设计接P06口上。接线原理如图6所示。

因ZigBee协议栈[1]自带有ADC采样的代码，我们只要把相关的宏开关打开即可。首先我们打开对应的工程文件，在对应的目录下打开ADC定义为TRUE就可以使用ADC了。通过文件里的方法可以读出对应IO口上的ADC电压值。在终端联网成功后启动定时器，终端定时器超时启动采样，对MQ-2气体传感器的AO口输出的电压转换成0～100的数，此时的数就是对应的气体浓度，值越大浓度越高。

3.3.1传感器的计算

[Rs=VcVr-1×Ra]

式中Vc为回路电压，Vr是传感器输出电压即U，Ra是电阻所承受的阻值，根据上式的计算就能算出传感器电阻Rs的阻值大小。

MQ-2气体传感器导电率的大小是随着空间中易燃气体的浓度增大而增大，因为电阻和电导率是相反的关系，所以电阻是随着气体浓度增大而减小的，其特性和滑动变阻器特性差不多。

[U=ReRe+Rs×Vc]

Vc为串联电路中所有电压之和，也就是电源电压，该电压是加在气体传感器的1引脚和3引脚之间的。U的大小是气体传感器4引脚和6引脚的输出电压，Rs为传感器的体电阻。

阻止R与空气中被检测到的气体浓度C的数值关系式

[logR=m×logC+n]（m、n均为常数）

常数n：与此时的气体检测浓度的大小有关，除了与我们的气体传感器材料和气体本身的性质或者特点不同而变化之外，还会由于当时所处环境的温度和催化剂的不同而发生比较大并且明显的变化。

常数m：表示根据环境中气体浓度因而发生变化的气体传感器的灵敏度。对于易燃性气体来说，m的数值大多数在1/2至1/3之间。

3.4 继电器控制

使用CC2530芯片GPI0的配置方法控制继电器模块。继电器有一个5V是接口，是通过P0_5经过三极管把3V的控制信号变成5V的控制信号实现的。从图7可以看出，P0_5为低电平的时候三极管不同，继电器的控制脚为高电平（J9的3脚）;当P0_5为高电平的时候，三极管导通，继电器的控制脚为低电平。

继电器的信号口连接ZigBee协调器，低电平的时候继电器中的触点会断开，高电平的时候继电器中的触点会吸合，并且继电器中触点的吸合会有指示灯提醒。通过这个原理，当ZigBee协调器收到终端的气体浓度过高的信号，协调器会给继电器一个高电平使得电磁阀门关闭和GSM通信模块工作。

4 系统测试及应用效果

硬件系统搭建完成后，首先检查电路连接是否安全，各个模块及传感器线路连接是否正确，防止开机就被烧坏。当检查一切无误之后，打开电源开关测试软件效果。电源开启后，系统会自动读取ADC，两个ZigBee终端会自动连接ZigBee协调器并采样分析，此时协调器上的LCD显示器上也会显示各个终端上MQ-2气体传感器的数值。这时的系统运行是正常的。这时我们可以使用打火机的气体进行模拟燃气泄漏，我们可以将两个ZigBee终端及协调器放置在不同的房间从而模拟不同的地方。我們在任意一个终端处使用打火机的气体凑近气体传感器观察对应的终端蜂鸣报警器会不会发出声响，同时燃气阀门是不是快速关闭，用户手机是不是能收到报警短信。如果所有的功能都实现了则证明系统正常。

4.1 测试结果

1）能对天然气泄漏进行有效的监测。

2）自动关闭燃气阀门。

3）向用户发送报警信息。

4）对应的终端蜂鸣报警器响应。

5 结束语

目前的天然气的使用非常的普遍，该设计解决了现有智能燃气安全监测系统模式单一、不安全、不可靠，不能及时发现隐患的技术问题[3]。目前市场的燃气安全装置大多数只能做到发出警报和自动关闭阀门的效果，而我们采用了多对一的检测，安全性和可靠性更高，并且可以精确到出现问题的节点，以便其及时精准处理。在对该设计进行安装时，难免会遇见一些狭小黑暗的空间，我们可以采用一种照明手套来应付这种环境，该照明手套在大拇指第一关节处和食指第二关节处装有LED灯，能有效提供照明并且不影响手指操作的灵敏性。该设计适用场景十分广泛，例如可应用到酒店、别墅、居民社区、工厂、办公大楼、商业中心等等，符合现代物联网家居潮流[9]，极大地改变了我们现有的生活方式，并且对燃气安全问题有非常好的监测效果，有较好的社会经济安全效益。

参考文献：

[1] 李明，王睿，石磊.一种ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].自动化技术与应用，2008，27（1）：91-94.

[2] 李欣.基于Zigbee无线网络智能家居系统的设计[J].数字技术与应用，2020，38（1）：158-159.

[3] 郭秀丽，陶曾杰.基于物联网技术的电气火灾报警控制系统设计[J].电子世界，2020（21）：173-174.

[4] 王权平，王莉.ZigBee 技术及其应用[J].现代电信科技，2004，34（1）：33-37.

[5] 任秀丽，于海斌.ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J].计算机工程与应用，2007，43（6）：143-145.

[6] 魏恩伟，张之涵，温克欢，等.基于智能家居系统的智能插座设计与实现[J].微型电脑应用，2019，35（12）：82-84，88.

[7] 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）：17-18，23.

[8] 邱凌.浅谈智能家居[J].网络信息技术应用与自动化，2008（5）：1-2.

[9] 高小平.中国智能家居的现状及其发展趋势[J].电器与效能管理技术，2005（4）：18-21.

【通联编辑：梁书】