張東娟

（江蘇省揚(yáng)中中等專業(yè)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江，212200）

0 引言

近年來，發(fā)生了多起由于居民家中燃?xì)庑孤┰斐傻闹靥卮笫鹿?，城市居民居住相對較為集中，損失極其慘重[1]。目前很多居民對燃?xì)庑孤﹩栴}不夠重視，未安裝相關(guān)的燃?xì)鈭缶b置，或者安裝的裝置防護(hù)功能較為單一，不具有物聯(lián)網(wǎng)功能，存在一定的安全隱患。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，STM32單片機(jī)和ESP8266的功能越來越強(qiáng)大。將它們作為主控和無線控制模塊應(yīng)用到燃?xì)鉂舛葯z測防護(hù)系統(tǒng)中?；谖锫?lián)網(wǎng)和嵌入式單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計了燃?xì)鉂舛葯z測、報警和防護(hù)系統(tǒng)，可實時檢測室內(nèi)的燃?xì)鉂舛龋⒉扇“踩煽康氐拇胧?，以保證居民的生命健康和安全。主要用于居民家中的可燃?xì)怏w濃度檢測和防護(hù)等。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由五個模塊組成，分別是控制模塊、無線Wi fi模塊、信息輸入和顯示模塊、燃?xì)鉂舛炔杉K和報警防護(hù)模塊。系統(tǒng)主要控制電路使用STM32單片機(jī)，ESP8266作為無線Wi fi模塊。通過按鍵設(shè)置燃?xì)鉂舛壬舷拗?，并在液晶顯示屏中實時刷新顯示。燃?xì)鉂舛韧ㄟ^MQ-5氣體傳感器進(jìn)行檢測。綠色發(fā)光二極管指示電源正常接通，而紅色發(fā)光二極管和蜂鳴器組成聲光報警器，排風(fēng)扇和電控開關(guān)作為防護(hù)裝置。

■1.1 STM32

STM32單片機(jī)是一種低成本、高性能和低功耗的微型處理器，融合ARM和ST技術(shù)[2]。本系統(tǒng)的主要控制電路使用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)。這是一種32位的微控制器，時鐘頻率是72MHz，有37個輸入/輸出引腳和多個外設(shè)功能設(shè)備。

■1.2 ESP8266

本系統(tǒng)選用的Wi fi模塊為ESP8266-12F芯片，它不僅小巧、價格低廉，而且功能強(qiáng)大、高度集中、功耗低，是內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧的UART-Wi fi透傳模塊，可實現(xiàn)Wi fi與串口的轉(zhuǎn)換。ESP8266有三種工作模式：AP模式，STA模式和AP+STA模式[3]。本設(shè)計中Wi fi模塊的工作模式是STA模式，設(shè)置ESP8266，使其通過路由聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，將燃?xì)鉂舛韧ㄟ^Wi fi上傳給云平臺，同時手機(jī)可以查看燃?xì)鈱崟r濃度、設(shè)定上限值和燃?xì)鉂舛惹€，而且可以通過物聯(lián)平臺給用戶發(fā)送燃?xì)庑孤﹫缶绦拧?/p>

■1.3 MQ-5氣體傳感器

燃?xì)鉂舛鹊牟杉b置采用傳感器實現(xiàn)燃?xì)鉂舛葯z測。MQ-5氣體傳感器成本低，可以用于多種常見可燃?xì)怏w的濃度檢測，對液化氣、天然氣和煤氣的靈敏度較高，有較強(qiáng)的抗乙醇和煙霧干擾能力。MQ-5氣體傳感器使用的是二氧化錫，在清潔的空氣中這種氣敏材料的電導(dǎo)率比較低。當(dāng)環(huán)境中有一定的可燃?xì)怏w時，它的電導(dǎo)率會隨著可燃性氣體濃度的增大而增大，可將燃?xì)鉂舛绒D(zhuǎn)化為模擬電壓量，然后通過濾波器過濾掉其中的干擾信號，將此小信號量放大后傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0809。ADC0809與STM單片機(jī)的P1.2、P1.3和P1.4端相連將模擬電壓量轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字量，上傳給主控模塊STM32單片機(jī)，并比較分析燃?xì)鉂舛刃畔ⅰ?/p>

■1.4 輸入顯示電路

燃?xì)獍踩珴舛鹊纳舷拗担ㄟ^STM單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5端分別與輸入按鍵相連實現(xiàn)。設(shè)置鍵和確認(rèn)鍵與STM單片機(jī)P3.2和P3.3端相連，而加一和減一鍵分別與STM單片機(jī)P3.4和P3.5端相連。顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，它是一種可顯示符號、數(shù)字和字母等的點陣式液晶屏，顯示容量為16×2字符。液晶屏的R/W讀寫選擇端接地，使能端E與STM單片機(jī)的P2.3連接，數(shù)據(jù)/命令選擇端RS與P2.4連接，數(shù)據(jù)口和P0口連接，實時顯示燃?xì)鉂舛纫约鞍踩珴舛鹊纳舷拗怠?/p>

■1.5 輸出控制電路

本系統(tǒng)的聲光報警模塊使用紅色發(fā)光二極管和蜂鳴器。蜂鳴器可以發(fā)出較高穿透力的聲音，控制方式簡單。紅色發(fā)光二極管工作的電流與電壓相對較小，能夠滿足室內(nèi)亮度要求，且抗沖擊和抗震性都較好，使用壽命長。紅色發(fā)光二極管與STM單片機(jī)的P2.0端相連，蜂鳴器與STM單片機(jī)的P2.1端相連，兩者作為聲光報警裝置，指示燃?xì)鉂舛瘸^了設(shè)定的安全值。STM單片機(jī)的P2.2和P2.3端與繼電器連接，通過繼電器控制排風(fēng)扇和燃?xì)饪傞_關(guān)，實現(xiàn)燃?xì)獾闹悄芊雷o(hù)控制。燃?xì)鉂舛瘸^上限安全值時，通過繼電器控制排氣扇轉(zhuǎn)動，關(guān)閉燃?xì)忾_關(guān)，最大限度的降低燃?xì)鉂舛取?/p>

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的燃?xì)鈾z測報警防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的燃?xì)鈾z測報警防護(hù)系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主要控制電路選用具有32位微控制器的STM單片機(jī)，分析處理濃度設(shè)定值和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，對紅色發(fā)光二極管、蜂鳴器和繼電器等進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法編寫子程序。通過傳感器采集、濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后的燃?xì)鉂舛确治霰容^子程序。液晶顯示子程序和按鍵查詢設(shè)置子程序。聲光報警、排風(fēng)扇和開關(guān)動作的防護(hù)子程序。為了實時檢測燃?xì)鉂舛?，?.5秒使用定時器中斷程序讀取傳感器采集、濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后的室內(nèi)實時燃?xì)鉂舛葦?shù)字量。同時在液晶屏和云平臺中更新實時燃?xì)鉂舛戎?。將實時燃?xì)鉂舛群桶踩珴舛壬舷捱M(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉂舛瘸^上限安全值時，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通、蜂鳴器鳴叫報警，同時控制繼電器使排風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，燃?xì)饪傞_關(guān)斷開。

圖3 控制裝置電路原理圖

圖4 燃?xì)鉂舛葯z測控制流程圖

中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，具有很強(qiáng)的適配性，支持使用者快速接入各類智能硬件和傳感器，提供豐富的應(yīng)用模板和API[4]。根據(jù)中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺的使用規(guī)范接入云平臺，添加相關(guān)設(shè)備，上傳數(shù)據(jù)信息，并將信息存儲在云端。本設(shè)計中，串口Wi fi模塊ESP8266與中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺可以進(jìn)行基于HTTP協(xié)議的Restful API的雙向通信，采用云平臺所提供的文檔格式。ESP8266數(shù)據(jù)上傳使用HTTP通信協(xié)議里的POST方法，完成燃?xì)鉂舛葘崟r上傳。云平臺對信息進(jìn)行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)和處理，并顯示在手機(jī)的APP監(jiān)測界面中。而獲取云平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋與報警信息則使用HTTP通信協(xié)議里的GET方法。HTTP通信協(xié)議里的POST是數(shù)據(jù)上傳方法，GET方法可獲取服務(wù)器的反饋報警信息，兩者的編輯格式類似。

3 工作原理

接通電源，按下自鎖按鈕，綠色發(fā)光二極管常亮，表明電源正常接通。首先按下設(shè)置鍵，然后通過按下加一健或減一健調(diào)整數(shù)值，最后按下確認(rèn)鍵，完成燃?xì)獍踩珴舛鹊纳舷拗档脑O(shè)置。當(dāng)室內(nèi)有燃?xì)庑孤r，MQ-5氣體傳感器中二氧化錫的電導(dǎo)率會隨著燃?xì)鉂舛鹊脑龃蠖龃?，其輸出的模擬電壓量也隨之改變。然后通過濾波電路、放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0809，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量傳入STM32單片機(jī)進(jìn)行分析與處理。STM32單片機(jī)將檢測到的燃?xì)鈱嶋H濃度顯示在LCD1602液晶顯示屏上，并將檢測到的濃度和設(shè)置的上限安全燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行對比。同時將燃?xì)庠O(shè)定濃度和實時檢測濃度通過ESP8266串口Wifi模塊傳入物聯(lián)云平臺，在手機(jī)APP中實時顯示當(dāng)前室內(nèi)燃?xì)鉂舛戎岛驮O(shè)定值，并且可以查詢近期燃?xì)鉂舛惹€。

通過分析比較，發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉂舛瘸^上限安全值時，可以通過繼電器控制排氣扇轉(zhuǎn)動，關(guān)閉燃?xì)忾_關(guān)，并通過中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺給使用者發(fā)送燃?xì)庑孤┑膱缶绦?。最大限度的降低燃?xì)鉂舛龋ＷC人身和財產(chǎn)安全。STM32單片機(jī)P2.0端子輸出高電平，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。STM32單片機(jī)P2.1端子輸出高電平，蜂鳴器鳴叫報警，指示燃?xì)鉂舛瘸^安全值。同時P2.2和P2.3端輸出高電位，使NPN型晶體管飽和導(dǎo)通。使連接在直流電源和集電極之間繼電器1的線圈導(dǎo)通。繼電器常開觸頭閉合，使室內(nèi)燃?xì)饪傞_關(guān)斷開。同理，繼電器2動作，使排風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，排出室內(nèi)的殘余燃?xì)狻?/p>

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)和ESP8266的燃?xì)鉂舛葯z測，聲光報警和防護(hù)的系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測室內(nèi)的燃?xì)鉂舛?，通過物聯(lián)網(wǎng)短信及時提醒使用者燃?xì)庑孤┣闆r，采取有效措施自動關(guān)閉燃?xì)饪傞_關(guān)，并迅速排出燃?xì)?。通過使用打火機(jī)模擬家用燃?xì)猓^電器控制黃色發(fā)光二極管模擬控制燃?xì)饪傞_關(guān)進(jìn)行了測試。本系統(tǒng)可以實時檢測燃?xì)鉂舛?，并進(jìn)行有效的物聯(lián)網(wǎng)報警防護(hù)。