摘 要：針對氫氣泄漏無氣味不易察覺的問題，設計了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監(jiān)測系統，系統包含主控模塊、氫氣監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、報警模塊以及顯示模塊。鑒于氫氣傳感器遇水時靈敏度會下降，故系統通過加入溫濕度模塊確保在復雜環(huán)境場景下氫氣泄漏監(jiān)測的準確性。氫氣監(jiān)測模塊使用SMD1012，溫濕度監(jiān)測模塊采用AHT22，具有功耗小、穩(wěn)定性高、響應率高等優(yōu)點。溫濕度數據和氫氣數據處理均采用加權平滑算法，實驗結果表明：加權平滑算法能夠降低數據誤差，優(yōu)化系統的性能。

關鍵詞：氫氣監(jiān)測；STM32F103；SMD1012；AHT22；加權平滑；模數轉換

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.005

0 引 言

2023年7月，習近平總書記在中央全面深化改革委員會第二次會議強調：推動能耗雙控逐步轉向碳排放雙控[1]。國務院也提出在2030年前實現碳達峰。由此清潔能源在未來會成為國家能源體系的重點發(fā)展方向[2]。氫能作為國家能源體系的重要組成部分，其清潔、可再生、高效的特點非常適合交通、儲能、工業(yè)領域等減碳[3]，但是氫氣易揮發(fā)、易燃、難儲存等缺點制約了氫能的使用場景。氫氣泄漏產生的安全事故層出不窮，如韓國氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸造成2死6傷，東莞氫氣罐車軟管破裂爆燃事故[4]等。鑒于此，如何能夠精準實時監(jiān)測氫氣是否泄漏成為急需解決的問題，而文中基于STM32F103氫氣泄漏監(jiān)測系統可以很好地解決氫氣泄漏監(jiān)測

問題。

1 硬件設計

系統框圖如圖1所示。系統包含主控模塊、氫氣監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、報警模塊以及顯示模塊。當氫氣監(jiān)測模塊感知到泄漏的氫氣時，將信號傳輸至主控模塊，主控模塊處理后啟動報警模塊，同時顯示氫氣泄漏數據；另外，由于氫氣泄漏會導致空氣溫濕度發(fā)生變化，因此，為精準監(jiān)測氫氣泄漏情況，系統加入了溫濕度模塊，以保證氫氣監(jiān)測的準

確性。

1.1 主控模塊

主控模塊以STM32F103為核心，如圖2所示。STM32F103是基于Cortex-M3內核的32位ARM微控制器[5]，擁有兩個12位模數轉換器，雙采樣可以滿足溫濕度數據和氫氣數據采集要求。該芯片的工作頻率最高可達[6]72 MHz，能夠保證系統數據采集的實時性。STM32F103芯片使用的電源電壓為2～3.6 V，其睡眠、停機和待機模式使其功耗較低，很好地滿足了系統持續(xù)工作的需求。同時，該芯片幾乎所有引腳都可以承受5 V電壓，因此系統穩(wěn)定性較好。

1.2 氫氣監(jiān)測模塊

氫氣監(jiān)測通過SMD1012傳感器實現，該傳感器采用MEMS工藝，可以實現不同場景中的氫氣泄漏監(jiān)測。作為半導體氣體傳感器，其對低濃度氫氣泄漏監(jiān)測具有高精準性、高分辨率以及高靈敏性。同時，其小尺寸、高穩(wěn)定、快響應以及長壽命等特點[7]都是選擇其采集氫氣數據的重要原因。SMD1012原理如圖3所示。系統主要使用其VH+引腳、VCC引腳以及VOUT引腳。其中，VH+作為加熱電壓輸入端，主要為SMD1012傳感器提供特定電壓；VCC則通過直流電源和負載為傳感器提供測試電壓；VOUT將采集的數據傳輸至主控芯片STM32F103。

1.3 溫濕度監(jiān)測模塊

為確保能夠實時、精確地監(jiān)測氫氣泄漏時的瞬時溫濕度變化，系統采用AHT22傳感器進行溫濕度監(jiān)測。作為新一代溫濕度傳感器，其具有穩(wěn)定性強、響應快、抗干擾能力強等特點[8]，使其能夠在環(huán)境相對惡劣的場景下工作，進而精準、快速、實時采集氫氣泄漏時的溫濕度。AHT22原理如圖4所示。

1.4 報警模塊

為確保用戶能夠及時發(fā)現氫氣泄漏，系統設計了報警模塊。一旦氫氣泄漏被氫氣傳感器和溫濕度傳感器感知，則主控芯片會直接觸發(fā)報警器報警。

2 軟件設計

檢測流程如圖5所示。系統初始化后，傳感器分別采集溫濕度值和氫氣值，先判斷氫氣值是否為零，如果氫氣值不為零，說明有氫氣泄漏，直接啟動報警；如果氫氣值為零，則開始對溫濕度值進行判斷，檢查溫濕度值是否出現瞬間變化，如果發(fā)現溫濕度值出現瞬間變化，則說明有可能出現氫氣泄漏，啟動報警，否則繼續(xù)采集溫濕度值。

2.1 氫氣采集

氫氣數據處理流程如圖6所示。首先進行ADC初始化；然后通過SMD1012傳感器獲取氫氣數據，啟動ADC單次轉換；當轉換結束后，將轉換完成的ADC值輸送至STM32F103，STM32F103根據ADC值進行處理。

2.2 溫濕度采集

溫濕度數據處理流程如圖7所示。溫濕度值采集前先進行ADC初始化，STM32F103通過PB6和PB7連接I2C_SCL和I2C_SDA，開啟I2C通信；STM32F103通過I2C通道讀取溫濕度值，然后關閉I2C通信。需要注意的是，每一次數據讀取都需要對I2C通信執(zhí)行開關操作[9]。在溫濕度數據傳輸時，需要使用I2C協議完成相關數據收發(fā)。

3 數據加權平滑算法

3.1 氫氣數據處理采用加權平滑算法

系統在氫氣數據處理上使用加權平滑算法來保證數據的準確性，防止外界干擾[10]，進一步提升系統的穩(wěn)定性。該算法可以平滑和均衡氫氣傳感器采集的數據，減小偶然數據突變的影響，如式（1）所示：

（1）

式中：f為加權值，取0.8；H0為修正值；Ki為第i個數據；hold為原數據；hnew為最新數據；H00為修正值與真實值誤差。測試數據見表1所列。

將真實值與測量值進行對比，發(fā)現利用加權平滑算法修正的數據整體誤差低于直接測量值的誤差，尤其在出現異常值時數據回彈能力好，使其更接近真實值。如氫氣真實值為2.5×10-6，氫氣測量值為0.3×10-6，數據明顯存在異常，通過加權平滑算法，氫氣數據修正值約為0.7×10-6，在原有值不變的情況下，使不易被發(fā)現的值變得易被發(fā)現，從而提升了系統觸發(fā)性。

3.2 溫濕度數據處理采用加權平滑算法

當氫氣泄漏時，周邊的溫度會急劇下降，為了能夠實時精準抓取氫氣泄漏的數據，系統采用突變算法來抓取溫濕度瞬變數據，通過該算法去除靜態(tài)和緩慢變化的數據背景。

（2）

式中：T0為修正值。溫度數據見表2所列。

溫度真實值為23.2 ℃，測量值為5.1 ℃，數據明顯存在異常。通過加權平滑算法，溫度數據修正值為19.5 ℃，在原有值不變的情況下，使不易被發(fā)現的值變得易被發(fā)現，從而提升了系統觸發(fā)性。

4 結 語

針對氫氣泄漏無氣味不易察覺的問題，設計了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監(jiān)測系統。該系統功耗低，響應快，性能穩(wěn)定，具有較好的社會價值與經濟價值。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-17 修回日期：2023-08-21

基金項目：江蘇高校“青藍工程”

作者簡介：梁龍兵（1989—），男，碩士，講師，研究方向為物聯網應用技術。