曾富強(qiáng)，李 寧，石慶燭，鐘鑫洋，劉國(guó)權(quán)

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

目前市場(chǎng)上涌現(xiàn)出眾多與燃?xì)獗O(jiān)測(cè)相關(guān)的產(chǎn)品，然而，大多數(shù)存在功能單一、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控以及警報(bào)范圍有限等問題。鑒于此，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究工作[1-4]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款智能家用燃?xì)鈭?bào)警裝置，但該裝置只能實(shí)現(xiàn)基本的燃?xì)庑孤z測(cè)及報(bào)警功能。文獻(xiàn)[6]在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上加入了顯示模塊和紅外通信模塊，可以顯示出燃?xì)獾母黝悢?shù)據(jù)并實(shí)施通信，但不足之處在于該系統(tǒng)是手持式而且紅外通信受距離限制，存在局限性。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款智能庭院燃?xì)夤艿佬孤﹫?bào)警切斷(限流)裝置，功能強(qiáng)大，應(yīng)急措施完善，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用難度較大且成本較高。文獻(xiàn)[8]加裝了排氣和斷閥的功能，卻不能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析上傳。文獻(xiàn)[9]提出，智能檢漏保護(hù)系統(tǒng)具備多種機(jī)制實(shí)施的能力，能夠協(xié)同多個(gè)機(jī)構(gòu)，顯著提高燃?xì)膺M(jìn)戶的安全系數(shù)。文獻(xiàn)[10]提出一種新穎的家用遠(yuǎn)程燃?xì)怅P(guān)閉裝置。文獻(xiàn)[11]則側(cè)重于硬件和電路的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]將燃?xì)獗砼c報(bào)警器結(jié)合在一起，具有一定的新穎性。文獻(xiàn)[13-14]設(shè)計(jì)了面向家用的可燃報(bào)警（器）系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52 家用燃?xì)獾臋z測(cè)裝置，具有自動(dòng)檢測(cè)和遠(yuǎn)程通知功能。

綜上所述，當(dāng)前市場(chǎng)上的大多數(shù)燃?xì)鈭?bào)警裝置仍然采用傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)，缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程報(bào)警功能，存在顯著的局限性。本文提出一款基于STM 32 的智能燃?xì)鈭?bào)警裝置，除了具備傳統(tǒng)燃?xì)鈭?bào)警器的功能外，該裝置還能自動(dòng)處理數(shù)據(jù)并上傳云端，將各類數(shù)據(jù)發(fā)往用戶手機(jī)，真正做到實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果。該裝置通過多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)?、溫度等?shù)據(jù)，這些傳感器將采集的信息傳輸至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)判斷廚房是否發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤?，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)即時(shí)傳送至云端，提醒用戶采取相應(yīng)的行動(dòng)。

1 總體框架設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的核心芯片采用STM32F405，配備了LED紅燈和蜂鳴器，以滿足裝置的報(bào)警功能要求。溫濕度傳感器SHT30 用于采集環(huán)境溫濕度信息，而燃?xì)鈾z測(cè)傳感器MP5 則用于監(jiān)測(cè)煤氣和天然氣的濃度。LCD 顯示屏用于顯示各類數(shù)據(jù)，通過ESP8266 上傳至ONENET 平臺(tái)，然后由SIM800C 發(fā)送信息給用戶。這款裝置的亮點(diǎn)在于它能夠?qū)崟r(shí)地向用戶傳遞危險(xiǎn)信息，使用戶能夠在第一時(shí)間了解情況并采取必要的措施，從而降低事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。本裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，STM32片內(nèi)資源豐富，處理速度快，可拓展性強(qiáng)，不僅可以減小裝置系統(tǒng)的能耗，也提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和二次開發(fā)的可能，利用軟件編程可節(jié)約大量的資源和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置多功能。圖2所示為裝置工作的模擬情景。

圖1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 裝置工作模擬情景

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用STM32F405，電源模塊通過TPS54331DDAR 和AMS1117 將12 V 電壓轉(zhuǎn)換為5 V，然后穩(wěn)定至3.3 V 以供電。檢測(cè)模塊使用溫濕度傳感器模塊，通過IIC 協(xié)議與主控制器進(jìn)行通信，同時(shí)MQ5 氣體傳感器通過ADC 采集模擬信號(hào)。LCD 顯示屏用于向用戶呈現(xiàn)設(shè)定的數(shù)據(jù)，同時(shí)ESP8266 用于將數(shù)據(jù)上傳至云端并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)氣體傳感器信號(hào)超過設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)將控制有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警并關(guān)閉閥門。此外，用戶可以通過App 或云端隨時(shí)實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，提供了便捷的監(jiān)控和互動(dòng)方式。

（1）主控電路

采用STM32F405 芯片，用于數(shù)據(jù)處理、手機(jī)短信的通信和外圍電路的控制。

（2）顯示電路

采用LCD 液晶顯示屏用于溫度的實(shí)時(shí)顯示。該顯示屏為128 像素×128 像素，采用SPI 接口，每個(gè)像素可以由點(diǎn)脈沖直接控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立且可以連續(xù)控制，這不僅提高了顯示屏的反映速度，還可以準(zhǔn)確控制。

（3）溫濕度采集電路

采用SHT30溫濕度傳感器，該傳感器使用IIC協(xié)議與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，將采集到的溫度信息實(shí)時(shí)送給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)地在液晶屏上顯示出來。

（4）燃?xì)鈾z測(cè)電路

采用MQ5 傳感器，單片機(jī)的ADC1，并將PC1 作為模擬輸入口，在軟件層面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)換算處理。

（5）通信電路

采用ESP8266，通過單片機(jī)的串口通信實(shí)現(xiàn)和手機(jī)移動(dòng)端的實(shí)時(shí)通信，達(dá)到實(shí)時(shí)給用戶發(fā)送報(bào)警短信的目的。

（6）報(bào)警電路

采用LED 燈和蜂鳴器，通過單片機(jī)的串口連接實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉂舛鹊竭_(dá)設(shè)定數(shù)值后蜂鳴器響和LED 紅燈閃爍，由于單片機(jī)的I∕O 驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，對(duì)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)加入一個(gè)NPN 三極管，使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報(bào)警作用。而三極管基極的電路保證了只有在單片機(jī)輸出低電平時(shí)，蜂鳴器才會(huì)發(fā)聲，有效避免產(chǎn)生誤報(bào)警。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行初始化操作。MQ5 模塊會(huì)啟動(dòng)，并進(jìn)行全天24 h 的燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測(cè)。隨后，溫濕度傳感器開始采集環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。當(dāng)MQ5 模塊檢測(cè)到的濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器和LED 燈會(huì)開始工作，同時(shí)ESP8266模塊會(huì)向用戶的手機(jī)發(fā)送短信提醒。

該系統(tǒng)硬件電路原理如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

3 系統(tǒng)流程

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。從主程序到各模塊的子程序經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本裝置整體運(yùn)行流暢，已完成預(yù)期任務(wù)。

3.1 主流程

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，蜂鳴器模塊、ESP8266 通信傳輸模塊、云平臺(tái)、ABC 模塊以及LCD 模塊都會(huì)經(jīng)過初始化過程，驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。使用串口中斷函數(shù)，在燃?xì)鉂舛冗_(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，通過單片機(jī)的串口連接，LED 燈會(huì)亮起并且蜂鳴器響起，以提醒用戶。同時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)通過ESP8266 將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，一旦泄漏問題得到解決，系統(tǒng)將退出這一流程，回到原本正常工作狀態(tài)。燃?xì)鈾z測(cè)裝置主流程如圖4所示。

圖4 燃?xì)鈾z測(cè)裝置主流程

3.2 氣體傳感器工作流程

本裝置采用MQ5 天然氣傳感器與主控制器協(xié)同工作，其詳細(xì)流程如圖5 所示。一旦裝置初始化完成并進(jìn)入正常工作狀態(tài)，它會(huì)通過中斷來啟動(dòng)氣體檢測(cè)。檢測(cè)后，裝置將采集到的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并同時(shí)上傳至云端，最終回到主程序以完成一次檢測(cè)。

圖6 數(shù)據(jù)上傳子流程

圖5 氣體檢測(cè)子流程

3.3 數(shù)據(jù)上傳流程

當(dāng)裝置檢測(cè)到環(huán)境溫濕度和燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，具體流程如圖6 所示。ESP8266切換至AP+WiFi 模式下將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至云端，接收到發(fā)送成功的AT指令后結(jié)束發(fā)送，用戶收到報(bào)警信息可以遠(yuǎn)程查看，并及時(shí)做出相應(yīng)的措施。

4 裝置測(cè)試

本文燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)主要由STM32F405 作為中控， 由正點(diǎn)原子ESP8266 TCP+AP 模式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，右上方MP5 可檢測(cè)天然氣燃?xì)獾纫兹家妆瑲怏w，在MP5 下方由蜂鳴器與左方紅色LED 作為報(bào)警時(shí)警示用戶，左上方的TFT 屏可實(shí)時(shí)顯示周圍環(huán)境的情況。藍(lán)色LED為正常工作電燈。

（1）燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)的PC端數(shù)據(jù)傳輸顯示

在ONENET 云平臺(tái)上，用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看裝置信息，并且能夠通過下達(dá)簡(jiǎn)單的指令來控制裝置的開關(guān)等操作。鑒于用戶不一定隨身攜帶電腦的情況，可通過手機(jī)應(yīng)用程序ESPTouch 查看相關(guān)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。云端數(shù)據(jù)信息如圖8 所示。App數(shù)據(jù)信息如圖9所示。

圖7 裝置初始狀態(tài)

圖8 云端數(shù)據(jù)信息

圖9 App數(shù)據(jù)信息

該裝置進(jìn)行初始化，ESP8266 配網(wǎng)，當(dāng)接入成功裝置正常顯示時(shí)，蜂鳴器鳴叫提醒用戶設(shè)備已工作狀態(tài)。燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，可通過1.44 cm×2.54 cm TFT LCD（1.44 寸）實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，界面也可設(shè)置燃?xì)鉂舛鹊陌踩秶鷣硖崾居脩簟?/p>

（2）對(duì)燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)無空調(diào)風(fēng)扇等影響下進(jìn)行，為了實(shí)驗(yàn)安全，采用模擬泄漏源，對(duì)于上面實(shí)驗(yàn)考慮到會(huì)受到前一次實(shí)驗(yàn)影響，設(shè)定間隔10 min 以上，觀察體積分?jǐn)?shù)數(shù)值為0～100×10-6是一個(gè)正常環(huán)境的水平再開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由云平臺(tái)提供，與上節(jié)選比較有代表性的三次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示泄漏源越接近傳感器，裝置響應(yīng)速度越快，數(shù)據(jù)增加的幅度越大，蜂鳴器報(bào)警最迅速，泄漏源距離裝置0.1 m時(shí)，響應(yīng)速度最快。在檢測(cè)到泄漏氣體時(shí)迅速響應(yīng)，在2 s 后迅速上升，最終距離峰值330 極為接近，觸發(fā)報(bào)警。

泄漏源距離裝置0.2 m時(shí)，該系統(tǒng)響應(yīng)速度適中。4 s后，裝置檢測(cè)到燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)迅速上升，但最終體積分?jǐn)?shù)數(shù)值比前者低。

泄漏源距離裝置大于0.2 m 時(shí)，在6 s 后迅速上升，觸發(fā)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折線如圖11 所示。由圖可知，這款可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置具有較好的檢測(cè)精度和響應(yīng)速度，能夠滿足正常檢測(cè)的需求。經(jīng)過24 h 不間斷運(yùn)行測(cè)試，分析測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性和靈敏性，沒有出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)發(fā)送丟失現(xiàn)象。總體而言，其性能表現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于STM32 的智能燃?xì)鈭?bào)警裝置，解決了燃?xì)庑孤z測(cè)不及時(shí)的問題，并引入了實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操作功能。在功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，采用了實(shí)時(shí)、智能化和多渠道化的設(shè)計(jì)理念。該裝置已經(jīng)成功滿足了設(shè)計(jì)要求，理想情況下可覆蓋小區(qū)住戶和商業(yè)街區(qū)，允許物業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)管理和監(jiān)控，移動(dòng)云終端的運(yùn)用尤其突出。當(dāng)前的智能燃?xì)鈭?bào)警裝置系統(tǒng)性仍有改進(jìn)的空間，未來可以考慮對(duì)上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)性的開發(fā)，以設(shè)置管理員和用戶等權(quán)限。本文的設(shè)計(jì)思路對(duì)其他檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

圖10 裝置數(shù)據(jù)顯示

圖11 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖（安全范圍數(shù)值＜200）