基于MTK平臺燃氣濃度檢測系統的設計與實現

牛 斗，王國慶

（東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林132012）

在我國，隨著人民生活水平的提高，燃氣已普遍應用到城鎮居民的家庭中，人們對其的依賴程度也越來越大，相伴而來的安全問題也成為重中之重。近年來，因燃氣泄漏而引起的火災、爆炸和中毒事故日漸趨多，嚴重地威脅著人們生命財產安全。現有的燃氣報警系統只能在燃氣泄漏時響起警鈴報警，并沒有從根本上排除危險的發生。本系統基于MTK平臺的優勢，設計了一種自動解決方案，能在檢測到燃氣泄漏后啟動蜂鳴器并同時發送報警信息到用戶手機上，通過MTK平臺控制抽油煙機工作，防范災難的發生，避免不必要的財產損失和人身傷害。由于手機已經成為人們生活中必不可少的工具，所以更能有效地發揮報警作用，使得用戶及時解除報警。

1 MTK系統簡介

1.1 MTK硬件系統

MTK芯片是由聯發科技股份有限公司設計制造的一款功能多樣化的芯片，其采用Nucleus OS操作系統，開發語言為C語言，同時也提供了完整的Java開發環境。MTK手機系統是目前國內手機生產廠家應用最多的手機產品解決方案，其高性價比和二次開發的特性備受歡迎。本方案選擇了MT6225為核心芯片，通過MT6225的GPIO口可進行外設擴展。

1.2 MTK軟件系統

MTK采用Nucleus OS實時操作系統，整個軟件系統包括Nucleus OS操作系統、平臺設備驅動、協議棧、文件系統、WGUI、MMI、J2ME等。MTK手機平臺上的程序基于J2ME軟件平臺開發，采用的是Java語言。

J2ME使用配置和簡表定制Java運行時環境（JRE）。作為一個完整的JRE，J2ME由配置和簡表組成，配置決定了使用的JVM，而簡表通過添加特定于域的類來定義應用程序。

配置將基本運行時環境定義為一組核心類和一個運行在特定類型設備上的特定JVM。簡表定義應用程序，它向J2ME配置添加特定于域的類，定義設備的某種作用[1]。

圖1 J2ME架構的層次

J2ME架構由3個軟件層組成，如圖1所示。第一層包括在內的配置層直接與原生操作系統進行交互。配置層還有Profile和JVM之間的交互。第二層是Profile層，由小型計算設備的應用程序編程接口的最小集合組成。第三層是Mobile Information Device Profile(MIDP)層。MIDP層由用戶網絡連接，永久存儲與用戶界面的Java API組成，還能夠訪問CLDC庫和MIDP庫。

2 系統技術方案

2.1 MTK GPIO口的驅動

GPIO口即通用輸入輸出口。MT6225提供了53個通用輸入輸出口和4個通用輸出口。GPIO口在系統上電時，有的是默認高電平，有的是默認低電平，這是MCU內部決定的，軟件無法更改。MCU中有多個GPIO模式初始化寄存器，在系統開機過程中，通過這些寄存器對GPIO進行初始化。

MTK通過對IO口的復用來減少IO端口的個數，每個 GPIO口有4種工作模式，即模式 0～3，每個 GPIO口都可以通過軟件配置為輸出或輸入或特定用途雙向口，其被當作輸入使用時，GPIO口可作為中斷源[1]。本系統選擇通用GPIO口GPIO30的模式0，即配置端口為輸入輸出模式。對GPIO初始化成功并對GPIO端口讀寫數據完成后，通過讀取其端口狀態來與寫到GPIO口的數據相比較，若超過預警值則報警，否則接收下組數據。選擇GPIO41的模式0，將蜂鳴器的負極接到這個端口，當GPIO30接收到的數據超過預警值，MTK平臺便將其拉低，此時蜂鳴器工作。選擇GPIO42的模式0，連接油煙機控制模塊。

2.2 MTK定時器的使用

定時器事件是在指定的時間或時間間隔內反復觸發指定的事件，這個指定的事件是通過一個注冊的功能函數來實現的。在MTK平臺中，操作定時器的具體流程如下：

(1)在定時器ID的頭文件TimerEvents.h中定義一個自己的TimerID，實驗中定義的ID為MY_TIMER_ID。當然，要在MAX_TIMERS之前定義。

(2)使用函數 StartTimer(U16TimerID，U16delay，funcPtr)啟動一個定時器，其中TimerID為時鐘ID，delay為時間間隔，funcPtr為該定時器事件的回調函數。StartTimer已經執行，當達到時間間隔delay時系統會通知執行funcPtr。如：StartTimer(MY_TIMER_ID，1 000，my_funcPtr)，其中，1 000為間隔時間，在MT6225中1 000即意味著定時時間為1 s。函數my_funcPtr為定時器到時后所要做事情的函數。

(3)退出程序時，通過調用 StopTimer(U16TimerID)來停止TimerID所對應的定時器事件。實驗中調用情況為StopTimer(MY_TIMER_ID)。

2.3 MTK短信息功能

短信功能作為MTK平臺的亮點之一，有著廣泛的應用。本設計中在系統得到的數值超出預警值產生報警的同時通過短信通知主人，能夠及時阻止不利情況的進一步發展。參考MTK本身具有短信通信功能模塊，修改軟件系統，通過設置固定的號碼，發生異常情況時，MTK系統便會自動發送信息給該號碼[2]。

2.4 繼電器的使用

本系統設計了遇到氣體泄漏時的解決方案，系統自動打開油煙機排出泄漏氣體，以免用戶疏忽造成火災甚至爆炸。選用固態繼電器控制油煙機的開關，固態繼電器由于沒有機械觸電以及其他機械部件，因此可靠性相當高，在通與斷的瞬間不會產生電火花，很適合本系統使用。又因該種繼電器的輸入與輸出間采用光耦合器，因此具有良好的抗干擾性。系統選用SSR-10DA型號的繼電器。該繼電器為雙向可控硅輸出，零電壓開啟，零電流關閉，輸入輸出回路之間采用光隔離。系統通過GPIO口外接一反相器控制固態繼電器發光二極管的閉合，控制油煙機的啟動與關閉。當GPIO口輸出低電平時，固態繼電器SSR-10DA內部的發光二極管通電變亮，觸發導通右側的光控晶閘管，形成電機啟動的閉合回路，油煙機啟動；當GPIO口輸出為高電平時，發光二極管不發光，固態繼電器SSR-10DA不能觸發導通，無法形成電機啟動的閉合回路，油煙機關閉[3]。電路如圖2所示。

3 系統組成及其工作原理

系統由傳感器模塊、MTK平臺、蜂鳴器模塊、抽油煙機控制模塊等組成，如圖3所示。傳感器檢測到室內燃氣濃度的變化進而轉變成電阻值的變化，通過傳感器處理電路處理后，轉變成系統可識別信號[4]。將傳感器模塊掛載在MTK系統的核心芯片MT6225的GPIO口上，通過定時查詢GPIO口的狀態檢測傳感器的輸出信號，一旦MTK系統檢測到傳感器輸出信號與預警值相同或者高于預警值，則MTK平臺驅動蜂鳴器發出刺耳的聲音提醒用戶，并自動通過短信的方式發送報警信號給用戶。系統會自動屏蔽掉相同內容的信息重復發送。與此同時，打開油煙機的開關，油煙機開始工作，排出泄漏氣體[5]。當氣體濃度降至預警值以下時，系統通過改變GPIO口的狀態控制蜂鳴器和油煙機停止工作，再發出危險解除信息到系統的短信接收裝置。

4 外接設備規格

4.1 傳感器

MH-440v/d傳感器具有高靈敏度、兼備標準輸出與數字輸出、外型小巧、快速響應、恢復、溫度補償、優異的穩定性、使用壽命長、抗水汽干擾等特點。主要技術參數為： 工作電壓：3.5 V～5.5 V； 工作電流：75 mA～85 mA；測量范圍：0～5%vol；輸出信號范圍：0.4 V～2 V；分辨率：1%FSD；預熱時間90 s；響應時間 T90<30 s；重復性零點<±100 ppm；SPAN<±500 ppm；長期漂移零點<±300 ppm/月；SPAN<±500 ppm/月；溫度范圍：-20 ℃～+50 ℃；濕度范圍：0～95%RH。

4.2 繼電器

繼電器選用SSR-10DA，其特點有：雙向可控硅輸出、零電壓開啟、零電流關閉、輸入回路與輸出回路之間光隔離、輸入端與輸出端之間隔離耐壓2 500 V。主要技術參數如下：控制方式為DC-AC(直流控制交流)；負載電流為 10 A，負載電壓：AC 24 V～380 V；控制電壓：DC 3 V～32 V；控制電流：3 mA～25 mA；通態漏電流≤2 mA；通態降壓AC≤1.5 V；斷態時間≤10 ms；介質耐壓AC 2 500 V；環境溫度：-30℃～+75℃。

5 系統測試與結論

為了測試系統性能，模擬一個燃氣泄漏的環境。模擬系統中使用華禹工控的產品旋風001，其核心模塊是本系統使用的MT6225，且帶有液晶屏，可以編寫界面程序直觀地讀出濃度檢測值。甲烷濃度的燃爆極限為5%～15%，為了避免危險發生，設定預警值為3%。燃氣濃度變化如圖4所示。當濃度超過預警值時，系統觸發蜂鳴器發出聲音，油煙機開始工作，且收到報警短信。在氣體濃度降至預警值之下以后油煙機停止工作，蜂鳴器也停止發出聲音，這時又收到解除警報的信息[6]。測試過程中沒有發生異常，完全符合設計初衷。

本系統采用MT6225手機開發方案，其高集成度使開發過程更加容易，且開發周期短，成本比較低，可靠性高。系統經過測試，能夠穩定地運行，且能很好地完成各項功能，又因為其具備了短信息報警功能，使得監測無死角，對人們的安全生活加強了保障。此解決方案對從事相關電子產品的研發具有一定的參考價值。

[1]趙志新，王紹偉，霍志強，等.MTK手機開發入門[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]王蓓.手機軟件平臺中的短信息模塊研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[3]陸勤，奚傳雋.中間繼電器循環控制電路：中國，201788902U[P].2011-04-06.

[4]宋鵬，李奉澤，劉鑒，等.基于諧波檢測的新型光纖甲烷傳感系統[J].測控技術，2011，30（6）：5-11.

[5]王光才，毛玉榮.基于MTK平臺的智能家居控制網絡系統[J].電子質量，2011(12):38-40.

[6]程志華，安琦，陶峰.基于嵌入式系統的乙炔氣體監測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2009（8）：46-49.