摘 要：針對現(xiàn)代工廠和實驗室中產(chǎn)生的氣體，如果無人監(jiān)控或者監(jiān)管缺失，可能會導致爆炸等嚴重后果。如何檢測易爆氣體已成為智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的一個重要方向。為此，設(shè)計了一款以Arduino為主控板的易爆氣體智能檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了MQ-7等各類傳感器，通過HC-05藍牙傳輸模塊將各傳感器的檢測數(shù)據(jù)傳至手機藍牙客戶端。測試結(jié)果證明：該系統(tǒng)能夠準確檢測易爆氣體體積分數(shù)的變化，一旦數(shù)據(jù)超過閾值，系統(tǒng)就會啟動蜂鳴器報警，并驅(qū)動與舵機連接的風扇進行氣體消散作業(yè)，從而滿足自動化監(jiān)管的需求。

關(guān)鍵詞：易爆氣體；智能檢測；Arduino；藍牙；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP39；TN914 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-05

0 引 言

隨著現(xiàn)代工廠和實驗室的發(fā)展，針對生產(chǎn)和實驗過程中產(chǎn)生的氣體，如果無人監(jiān)控或者監(jiān)管缺失，可能會導致爆炸等嚴重事件[1]。例如，2016年7月26日，韓國世宗市芙江面產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)的一家鏡頭制造廠發(fā)生化學氣體泄漏，造成工廠及工廠周圍16名工作人員出現(xiàn)嘔吐和頭暈等中毒癥狀。鑒于這些教訓，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣體智能檢測方面的應(yīng)用已成為保障生產(chǎn)和實驗安全的重要手段之一。當前，遠程監(jiān)控和及時報警在氣體智能檢測領(lǐng)域中是研究與實踐的重點。針對各類危險氣體環(huán)境的安全問題，文獻[2]提出了基于J2EE的氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案；文獻[3]研究了室內(nèi)有毒、易爆氣體的檢測。雖然以上方案具有部署快速、方便靈活的特點，但是仍存在檢測項目缺失、無法滿足工廠和實驗室高精度安全檢測以及簡單控制操作需求等不足。

為此，本文在Arduino和51單片機的開發(fā)環(huán)境下，首先集成了MQ系列氣體體積分數(shù)傳感器、BMP系列溫濕度及大氣壓強傳感器、GP2Y1014AU顆粒物濃度傳感器等，優(yōu)化了信息采集模塊；其次通過藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺服務(wù)器；最后對數(shù)據(jù)進行計算分析，生成氣體檢測報告，并依據(jù)警報規(guī)則觸發(fā)氣體警報系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為保證管理的便捷性和數(shù)據(jù)的實時性，本文設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

在感知層，可以利用Arduino開發(fā)板的優(yōu)勢，集成多種易爆氣體檢測傳感器；在傳輸層，可以利用HC-05和MQTT協(xié)議[4]的優(yōu)勢，將信息傳輸至本地或者云平臺；在應(yīng)用層，可以利用敏捷開發(fā)手段，在移動端（APP及微信）或電腦端，通過實時查看和遠程監(jiān)管等功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

該系統(tǒng)選用MQ系列氣體體積分數(shù)傳感器、BMP系列溫濕度和大氣壓強傳感器、GP2Y1014AU顆粒物濃度傳感器等進行模塊化設(shè)計，集合為簡單系統(tǒng)，實現(xiàn)了檢測多種易爆氣體的功能。同時，利用Arduino開發(fā)板的優(yōu)勢，集成多種傳感器；選用HC-05藍牙模塊作為傳輸層，將分析和處理過的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫云端，同時傳輸至本地或云平臺。

2.1 MQ系列氣體體積分數(shù)傳感器

該系統(tǒng)選用MQ-7氣體傳感器來檢測室內(nèi)的一氧化碳體積分數(shù)?，F(xiàn)有的傳感器分為半導體氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器和固體電解質(zhì)氣體傳感器五大類。其中，半導體氣體傳感器具有高靈敏度、體積小和低成本的優(yōu)點，但其穩(wěn)定性和壽命相對較差；催化燃燒式氣體傳感器具有長壽命和寬范圍應(yīng)用的優(yōu)點，但受環(huán)境和污染物影響大且持續(xù)時間長；熱導式氣體傳感器的優(yōu)點包括使用壽命長、無催化劑老化問題，但其檢測精度較差、靈敏度較低、溫度漂移較大；紅外線氣體傳感器具有高靈敏度、不依賴氧氣、不易中毒的優(yōu)點，但其成本相對較高、對環(huán)境溫度和濕度敏感、體積較大、空間局限性強；固體電解質(zhì)氣體傳感器具有高靈敏度和選擇性，但其響應(yīng)時間長、成本較高。因此基于現(xiàn)代工廠和實驗室對于精度和速度的要求，本系統(tǒng)選用半導體氣體傳感器中型號為MQ-7的氣體體積分數(shù)傳感器[5-6]。

2.2 BMP280高精度大氣壓強傳感器

該系統(tǒng)選用絕對壓強傳感器中型號為BMP280的傳感器來監(jiān)測實驗室的氣壓數(shù)據(jù)。現(xiàn)有大氣壓強傳感器分為絕對壓力傳感器、差壓傳感器、表壓傳感器、密封壓傳感器和真空度傳感器五大類。其中，絕對壓力傳感器能夠提供精確的壓強測量數(shù)據(jù)，適用于需要高精度數(shù)據(jù)的氣象學和航空領(lǐng)域；差壓傳感器適用于工業(yè)過程控制，如流量和液位的監(jiān)測；表壓傳感器適用于小壓力量程場所，抗環(huán)境能力相對較弱；密封壓傳感器具有較高的抗環(huán)境能力，但會增加傳感器的復(fù)雜性與成本；真空度傳感器專門用于檢測真空環(huán)境下的壓強?；诂F(xiàn)代工廠和實驗室對于精度和使用場所的要求，系統(tǒng)選用BMP280高精度大氣壓強傳感器。

2.3 GP2Y1014AU顆粒物濃度傳感器

該系統(tǒng)選用紅外粉塵傳感器中型號為GP2Y1014AU的顆粒物濃度傳感器進行空氣中粉塵顆粒的檢測?，F(xiàn)有的顆粒物傳感器主要分為紅外粉塵型、激光散射型、電子式和化學吸附型等。其中，紅外粉塵傳感器具有高速度、高靈敏度、適應(yīng)性廣的優(yōu)點，但其體積較大，受空間限制大；激光散射型傳感器具有高精度和低功耗的優(yōu)點，但其具有較大的安全隱患；電子式或化學吸附型傳感器可能更適合家庭或辦公室環(huán)境中的空氣質(zhì)量監(jiān)測，因為它們的成本較低，且能夠滿足日常監(jiān)測的需求?；诂F(xiàn)代工廠和實驗室對于精度、速度和安全的要求，系統(tǒng)選用GP2Y1014AU顆粒物濃度傳感器。

2.4 Arduino主控板

該系統(tǒng)選用Arduino UNO作為系統(tǒng)的控制模塊。Arduino系列主控板是開源硬件平臺，常見的有Arduino UNO、Arduino Nano和Arduino Mega 2560等型號。該系列主控板的優(yōu)點包括：易于編程、社區(qū)支持強大、有大量的庫和教程可供參考；缺點是處理能力和內(nèi)存有限，不適合復(fù)雜的工程項目。好處是用戶可以從開源網(wǎng)站上輕松獲取豐富的第三方庫和示例代碼，實現(xiàn)快速開發(fā)[7-8]?；谶@一優(yōu)勢，集成上述所選的各類傳感器[9]，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境需求，靈活地添加或移除功能模塊，以滿足檢測易爆氣體體積分數(shù)的特定要求。Arduino UNO主控板電路圖如圖2所示。

2.5 HC-05藍牙傳輸模塊

HC-05藍牙模塊基于藍牙2.0標準，支持串口通信（UART）協(xié)議，這使得與單片機或Arduino的連接和數(shù)據(jù)交換相對簡單，支持藍牙SPP（串口通信）和AT命令模式，具有低功耗、多設(shè)備連接、私密性強的特點?？梢詫鞲衅鳈z測的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到手機藍牙客戶端，實時檢測環(huán)境數(shù)據(jù)并判斷是否超過閾值；還可以根據(jù)實際需要，手動增減調(diào)整閾值，操作比較簡單。藍牙傳輸模塊如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)構(gòu)建好的硬件框架設(shè)計所需要的軟件模塊，將軟件系統(tǒng)劃分為可管理的單元，每個模塊擁有特定的功能，主要包括藍牙模塊軟件設(shè)計、規(guī)則設(shè)置模塊設(shè)計和報警模塊設(shè)計三部分。該系統(tǒng)軟件程序設(shè)計使用C語言和Keil[10]進行開發(fā)和調(diào)試，將程序封裝成一個C文件和頭文件，方便其他模塊調(diào)用以及自由添加或刪除模塊。

3.1 系統(tǒng)軟件主程序流程

客戶端藍牙連接成功配對后，Arduino通過藍牙發(fā)送采集的傳感器數(shù)據(jù)[11]，并將其顯示在手機客戶端。實時判斷爆炸氣體體積分數(shù)數(shù)據(jù)是否超過閾值，若超過，則蜂鳴器發(fā)出警報且聯(lián)動風扇、空氣凈化器等設(shè)備對氣體進行消散。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4所示。

3.2 藍牙模塊軟件設(shè)計

該系統(tǒng)藍牙模塊軟件設(shè)計基于藍牙2.0標準，實現(xiàn)了串口通信（UART）協(xié)議，將藍牙與客戶端進行配對連接，初始化各個傳感器、總線和串口等，將傳感器實時采集的各種數(shù)據(jù)向客戶端發(fā)送，通過手機APP將數(shù)據(jù)透傳給Arduino[12]，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸和系統(tǒng)的遠程控制。

3.3 規(guī)則設(shè)置模塊設(shè)計

該系統(tǒng)軟件中的規(guī)則設(shè)置模塊是定義和配置報警閾值的關(guān)鍵部分。通過該模塊，用戶可以根據(jù)不同易爆氣體的特性和現(xiàn)場作業(yè)要求設(shè)定特定的安全參數(shù)。這些參數(shù)包括氣體體積分數(shù)的報警上限和下限、聯(lián)動設(shè)備的緊急停止以及啟動通風參數(shù)等。同時，規(guī)則設(shè)置模塊通常提供友好的用戶界面，允許技術(shù)人員輕松修改和更新參數(shù)設(shè)置，并確保這些更改在系統(tǒng)中實時生效。該易爆氣體檢測系統(tǒng)將管理員與用戶的角色結(jié)為一體，通過系統(tǒng)設(shè)計，用戶可直接通過APP界面進行所需參數(shù)的閾值修改，以便快速解決不同應(yīng)用場景下的不同環(huán)境參數(shù)設(shè)置問題。

3.4 報警模塊設(shè)計

軟件的報警模塊是確保系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運行的重要組成部分，特別是在智能家居、線上服務(wù)等領(lǐng)域。該系統(tǒng)的設(shè)計確保了在檢測到危險氣體體積分數(shù)超過預(yù)設(shè)閾值時立即發(fā)出警報。該模塊通常包括多個傳感器輸入、信號處理電路、邏輯判斷單元和報警輸出裝置。傳感器連續(xù)監(jiān)測氣體體積分數(shù)并發(fā)送信號至處理電路，后者對信號進行放大、濾波和轉(zhuǎn)換。邏輯判斷單元會分析處理后的數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)的安全閾值比較，一旦超標即激活報警裝置，聯(lián)動蜂鳴器發(fā)出警報，提醒相關(guān)人員進行處理。

3.5 APP軟件設(shè)計

易爆氣體檢測系統(tǒng)APP使用自主開發(fā)的微信小程序，運用HC-05藍牙傳輸模塊連接云端阿里云[13]，進行數(shù)據(jù)的傳輸和顯示；并將數(shù)據(jù)連接至后端開發(fā)數(shù)據(jù)庫[14]，可以實時存儲到云端數(shù)據(jù)庫里面，以備后續(xù)檢測需要。APP頁面簡潔明了，內(nèi)容豐富，包含所屬地域、時間、溫度、各類氣體體積分數(shù)、人體檢測項目等。APP頁面如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的整體測試對于一個系統(tǒng)的實現(xiàn)有著十分重要的作用[15-16]。易爆氣體系統(tǒng)測試通常涉及多個環(huán)節(jié)，以確保系統(tǒng)的準確性、可靠性和響應(yīng)速度符合安全標準。這些環(huán)節(jié)包括：硬件中傳感器的校準與性能測試、環(huán)境適應(yīng)測試、應(yīng)急響應(yīng)測試和軟件APP應(yīng)用測試。為了確保精度和速度，選用硬件傳感器的性能測試、軟件功能測試、界面測試與通信測試。通過嚴格的測試，保證系統(tǒng)能夠在易爆氣體體積分數(shù)達到預(yù)設(shè)安全閾值時立即觸發(fā)報警，實時監(jiān)控并準確顯示氣體體積分數(shù)，高速響應(yīng)以預(yù)防潛在的爆炸事故，進而實現(xiàn)長期無故障運行。

4.1 硬件測試

對該系統(tǒng)進行硬件測試時，首先對系統(tǒng)中的氣體傳感器進行性能測試，包括靈敏度、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間等參數(shù)，這是確保系統(tǒng)能夠準確檢測到易爆氣體并及時響應(yīng)的基礎(chǔ)；其次，進行環(huán)境適應(yīng)性測試，驗證系統(tǒng)在不同的環(huán)境條件下是否能夠正常工作，例如在極端溫度或濕度下，或者在有腐蝕性氣體存在的環(huán)境中；最后，進行應(yīng)急響應(yīng)功能測試，模擬易燃易爆氣體泄漏情況，測試系統(tǒng)是否能正確激活預(yù)警系統(tǒng)、蜂鳴器示警以及其他安全措施。

4.2 軟件測試

該系統(tǒng)的軟件測試包括以下幾個方面：首先，進行功能測試。驗證軟件是否能夠準確地處理氣體體積分數(shù)數(shù)據(jù)的采集、處理和報警邏輯，包括確保報警閾值設(shè)置是否正確，以及在達到預(yù)設(shè)條件時是否能夠觸發(fā)相應(yīng)的報警和響應(yīng)措施；其次，進行界面測試，檢查用戶界面是否直觀易用，信息顯示是否清晰準確，包括氣體體積分數(shù)、報警狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)記錄等；最后，進行通信測試，如果系統(tǒng)包含遠程監(jiān)控或控制功能，需要測試軟件的通信模塊，確保數(shù)據(jù)能夠準確無誤地通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端或移動設(shè)備。

4.3 測試結(jié)果

通過硬件和軟件的測試，該系統(tǒng)已經(jīng)基本達到了利用傳感器對易爆氣體的體積分數(shù)進行監(jiān)測的預(yù)期效果。易爆氣體智能檢測系統(tǒng)的測試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款以Arduino為主控板的易爆氣體智能檢測系統(tǒng)，采用MQ-7等各類傳感器進行環(huán)境檢測，通過HC-05藍牙傳輸模塊將各個傳感器的檢測結(jié)果傳至手機藍牙客戶端。該系統(tǒng)能夠檢測易爆氣體的變化，如果數(shù)據(jù)超過閾值，則會觸發(fā)蜂鳴器報警并驅(qū)動與舵機連接的風扇對氣體進行消散，從而達到自動化監(jiān)管的要求。

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收稿日期：2024-05-24 修回日期：2024-06-28