無線報警器的設(shè)計(jì)

2021-08-03 02:58:48商朝歌黃義定

南陽師范學(xué)院學(xué)報 2021年4期

商朝歌，黃義定，海濤

(南陽師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南南陽 473061)

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)可以實(shí)時地進(jìn)行無線傳輸.由于其精確、迅速、可靠性高、成本低、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)成為近幾年的熱點(diǎn)行業(yè).本文采用ESP8266-ModeMCU、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器、蜂鳴器和LED燈等元器件，設(shè)計(jì)出一個報警器，報警器可以采集溫度、濕度和可燃性氣體密度的參數(shù)，實(shí)時檢測周圍環(huán)境[1].采用了無線信息傳輸技術(shù)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此可以廣泛應(yīng)用于智能倉儲系統(tǒng)、智能工廠系統(tǒng)，作為物聯(lián)網(wǎng)中的基本模塊，對于改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)智能化具有重要意義.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以ESP8266-ModeMCU為核心,將溫濕度和可燃性氣體密度通過ESP8266-ModeMCU上的WiFi模塊傳輸?shù)桨头ㄔ破脚_，通過巴法云平臺或者微信小程序可以實(shí)時監(jiān)控溫濕度和可燃性氣體密度數(shù)值[2]，并且可以在巴法云平臺或者微信小程序上對環(huán)境現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制，如LED燈的開關(guān)狀態(tài)或其他控制接口功能等,如圖1所示.各部分主要功能是:

圖1 功能設(shè)計(jì)框圖

1.1 DHT11溫濕度傳感器[3]和MQ-2煙霧氣敏傳感器[4]實(shí)時檢測周圍的溫度、濕度和可燃性氣體密度，并將數(shù)據(jù)通過ESP8266-ModeMCU的WiFi模塊實(shí)時地傳送到巴法云平臺，并且固定時間每3 s檢測更新一次.

1.2 通過程序設(shè)計(jì)溫度、濕度和可燃性氣體密度的閾值，當(dāng)溫度、濕度或者可燃性氣體密度其中一個或者多個超出設(shè)定值時，蜂鳴器發(fā)出聲音,用來提醒用戶，也可通過控制加濕器[5]風(fēng)扇和排氣扇等設(shè)備，從而使溫度、濕度和可燃性氣體密度回到設(shè)定值的閾值,從而使蜂鳴器停止發(fā)聲.

1.3 通過云平臺或者微信小程序也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，本文用LED燈的熄滅來模擬此功能.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文硬件電路包括三部分：電源模塊，ESP8266-ModeMCU模塊，傳感器模塊.電路原理圖如圖2.

圖2 電路原理圖

2.1 無線報警器電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊采用直流電池供電，供電電壓為4.5 V，采用DC/DC電源模塊為系統(tǒng)提供3 V電壓，其電路原理如圖3所示.

圖3 電源模塊原理圖

2.2 ESP8266-ModeMCU模塊設(shè)計(jì)

ESP8266-ModeMCU是一種集成了WiFi功能的開發(fā)板，能直接和WiFi相連.它可以用C語言進(jìn)行編寫代碼，還可以直接進(jìn)行燒錄，而且擁有許多的庫函數(shù)可以直接進(jìn)行調(diào)用.本設(shè)計(jì)便是采用的這種開發(fā)環(huán)境.模塊以ESP8266-ModeMCU芯片為核心，包括時鐘電路、復(fù)位電路、GPIO接口電路等.

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

該模塊包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器、蜂鳴器和LED燈電路設(shè)計(jì)，其電路原理如圖4所示.

圖4 DHT11溫濕度傳感器原理圖

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 ESP8266-ModeMCU接入WiFi網(wǎng)絡(luò)

ESP8266-ModeMCU芯片自帶WiFi接入功能模塊，首先加載ESP8266WiFi，設(shè)置添加WiFi的名稱和密碼，核心程序?qū)崿F(xiàn)如下：

#include //默認(rèn)，加載WiFi頭文件

const char* ssid = "TP-LINK_310C";//修改為自己的WiFi名字

const char* password = "l1234567";//修改為自己的WiFi密碼

3.2 ESP8266-ModeMCU接入云平臺

對于ESP8266-ModeMCU作為客戶端，接入MQTT服務(wù)器，如圖4所示.

圖5 MQTT客戶端—服務(wù)器

接入巴法云平臺，部分程序如下:

const char* mqtt_server = "bemfa.com";//默認(rèn)MQTT服務(wù)器地址

const int mqtt_server_port = 9501;//默認(rèn)MQTT服務(wù)器端口

#define ID_MQTT "16a0b18fd9544e6338e5455304a9ce65"http://MQTT客戶端ID，修改為自己的開發(fā)者密鑰

const char* topic = "light";//Led主題名字，在巴法云控制臺自行創(chuàng)建，名稱隨意

const char * dhttopic = "sht11";//溫濕度主題名字，在巴法云MQTT控制臺創(chuàng)建

在巴法云官網(wǎng)，登錄之后，找到控制臺，可以找到自己的私鑰[6]，如圖6所示.

圖6 獲取私鑰

在MQTT設(shè)備云創(chuàng)建主題,如圖7所示.

圖7 創(chuàng)建主題

3.3 DHT11溫濕度傳感器的程序設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器的DATA端口接ESP8266的D4端口，VCC和GND端口分別接ESP8266的3.3V和GND端口.

#include //引入DHT11庫

dht11 DHT11;//定義傳感器類型

#define DHT11PIN 2//定義傳感器連接引腳.此處的PIN2在ModeMcu8266開發(fā)板上對應(yīng)的引腳是D4

double Fahrenheit(double celsius)//下面幾段程序是把攝氏溫度轉(zhuǎn)換為華氏溫度和開氏溫度[7]

{

return 1.8 * celsius + 32; }

double Kelvin(double celsius)

{

return celsius + 273.15; }

void setup()

{

Serial.begin(115200);//設(shè)置波特率為115200

Serial.println(" ");

Serial.println("esp8266讀取DHT11傳感器數(shù)值 ");

Serial.println("串口會分別打印當(dāng)前濕度(%)，當(dāng)前攝氏溫度，當(dāng)前華氏溫度和當(dāng)前開氏溫度 ");

Serial.print("DHT11庫文件版本: ");

Serial.println(DHT11LIB_VERSION);

Serial.println();

}

void loop()

{

Serial.println(" ");

DHT11.read(DHT11PIN);//更新傳感器所有信息

Serial.print("當(dāng)前濕度(%): ");

Serial.println((float)DHT11.humidity, 2);

Serial.print("當(dāng)前溫度(℃): ");

Serial.println((float)DHT11.temperature, 2);

Serial.print("當(dāng)前溫度(℉): ");

Serial.println(Fahrenheit(DHT11.temperature), 2);

Serial.print("當(dāng)前溫度(K): ");

Serial.println(Kelvin(DHT11.temperature), 2);

delay(2000);//每兩秒打印一次

}

4 無線報警器的系統(tǒng)調(diào)試

4.1 無線報警器的功能測試

本系統(tǒng)是在Arduino IDE環(huán)境下開發(fā)的Arduino IDE軟件支持C語言的編程,運(yùn)用方便.在完成程序編寫和燒錄之后,還需對其各部分功能進(jìn)行驗(yàn)證，MQ-2煙霧氣敏傳感器通電后，需要預(yù)熱20 s左右測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定.查看目前的溫度和濕度，并且與自己設(shè)定的報警值相比較，若當(dāng)前溫度沒有超過閾值,可以去干預(yù)DHT11傳感器,讓溫度和濕度超過報警值，測試蜂鳴器是否可以報警.可燃性氣體濃度可以人為干預(yù)或者修改程序，超過閾值時，蜂鳴器是否會觸發(fā)報警.查看巴法云平臺是否接收到數(shù)據(jù)，從云平臺是否可以控制LED燈.如圖8所示.

圖8 巴法云平臺接收數(shù)據(jù)

4.2 微信小程序的測試

運(yùn)行微信小程序，查看是否接收到數(shù)據(jù)，是否可以控制LED燈，如圖9所示.

圖9 微信小程序界面

5 結(jié)語