基于NodeMcu的無線WiFi煤氣報警器的設計

白創+殷國豪+周丹+王長杰+肖連花+冷彬心

摘要：針對傳統的煤氣報警器不可遠程報警的缺陷，設計了一種基于NodeMcu的煤氣報警系統。該裝置利用NodeMcu單片機實施總控，通過MQ-5可燃氣體傳感器對煤氣濃度進行檢測，將檢測到的信息傳輸到單片機，由單片機對其進行處理，得出具體濃度值，如超過預設值則發出報警信號， 最后通過NodeMcu上自帶的ESP8266 wifi 模塊發送報警信號到樂為物聯官網上創建的帳號內以及樂為物聯的微信公眾號，用戶就可以通過網頁或者公眾號平臺就可以獲取濃度信息。實現了遠程無線濃度的傳輸、顯示與報警。通過測試，裝置每隔10秒發送一次濃度信息，當濃度超過預設值時，裝置立刻發送短信以及微信雙重報警信息，以及時提醒用戶潛在危險的存在。經測試，煤氣濃度的測量范圍為0—10000ppm，精度為1ppm。

關鍵詞：煤氣報警器；MQ-5可燃氣體傳感器；NodeMcu；樂為物聯

一、煤氣報警系統工作原理

系統主要由煤氣濃度檢測模塊、A/D模數轉換模塊、D/A數模轉換模塊、ESP8266WIFI模塊以及連接到互聯網的PC、智能手機等終端設備。MQ-5傳感器檢測空氣中的煤氣濃度，經過A/D模數轉換，采集進入NodeMcu。NodeMcu實時發送濃度數據給用戶帳號，在微信公眾號平臺以及樂為物聯官網上顯示實時濃度值。根據實時濃度與預設安全濃度范圍比較，判斷是否超出正常范圍，若超出，則本地蜂鳴器發出報警聲，單片機發出報警短信以及微信報警信息，并立刻自動關閉電磁閥。解決了煤氣報警器不能遠程監控的缺陷，并使報警儀器與智能設備連接，通過微信平臺在手機上實時顯示，相當于只要人們手機上有微信，就能人人攜帶一個報警裝置。大大降低了成本。

二、系統硬件設計

（1）硬件選型以及設計要點

MCU選取NodeMCU作為控制核心，NodeMcu是一款運行于樂鑫ESP8266芯片之中的可編程固件。它以lua語言為基礎，同時提供了封裝esp8266硬件操作的高級API，可以讓開發者以類似于arduino的方式與底層硬件打交道，使軟件開發人員輕松操作硬件設備同時NodeMcu還提供了事件驅動型的網絡API，Nodejs風格的編程方式更是讓互聯網開發人員如魚得水。

利用MQ-5氣體傳感器實現對空氣中的可燃氣體的檢測，MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-5具有探測范圍廣、靈敏度高、響應恢復快、穩定性能好、壽命長、驅動電路簡單等特點，從而被廣泛用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、氫氣、人工煤氣等的探測，其探測范圍為300～10000ppm。

（2）硬件功能以及數據處理

對esp8266封裝模塊ESP12進行擴展，D1～D10：均可復用為GPIO，PW12C，1-Wire；A0：1路ADC；USB供電；USB轉串口調試接口。除此之外還有電源引腳，GND，EN等等。該系統用到了A0引腳，A0引腳為NodeMcu A/D的輸入端，與MQ-5的A0模擬輸出端相連，實現煤氣濃度數據的采集。

因為購買的MQ-5模塊上的負載電阻是可調的，為了使測量范圍最大，將電阻調至1K，在excel上輸入幾個樣點數據，得到曲線對應的函數。y=8.1421x4+563.89x3-1077.5x2+1285.1x-195.11，其中，Y為濃度（ppm），X為MQ-5的A0輸出電壓。nodemcu的自帶的A/D為10位的，MQ-5采集到的數字量傳入nodemcu后，經過處理得到電壓值，公式為X=adc.read（0）*3.3/1024，得到采集到的電壓值，再代入上面的公式處理得到濃度值。

三、軟件設計

單片機上電之后， 系統首先初始化，ESP8266模塊連接上WIFI，然后發送序列號，安全秘鑰連接上樂為物聯帳號，與相應傳感器綁定；MQ-5可燃氣體傳感器檢測空氣中的煤氣濃度，濃度值的變化引起電導率變化，電導率通過電路轉換為與該濃度對應的輸出信號，通過A0端口將信號發送給NodeMcu的A0端口，A/D接收到模擬信號，將數據代入程序中的公式計算得到相應的濃度值；將濃度值通過ESP8266WIFI模塊發送到樂為物聯的賬號上，此時進行濃度是否正常的判斷，將濃度值與在樂為物聯官網上預設的安全濃度范圍進行比較，若超過范圍，則通過WIFI模塊向樂為物聯帳號發送微信報警信息，并同時發送短信報警信息通知用戶；并且本地蜂鳴器立刻發出報警聲，自動關閉安裝在煤氣開關口的二重保護開關電磁閥。若未超出正常范圍，此時在PC上進入樂為物聯官網登錄帳號或者登錄樂為物聯微信公眾號平臺，即可看到濃度的實時曲線。

四、實驗測試及結果

為了達到測試系統能測量的濃度范圍，我們將點燃的紙巾生成的一氧化碳作為測量物來代替煤氣，避免安全事故的發生。在測試過程中，用NodeMcu上的LED燈代替蜂鳴器和電磁閥。

首先用戶用USB給NodeMcu供電，觀察到NodeMcu上ESP8266模塊的藍燈閃爍一下，證明初始化完畢，打開電腦的WIFI軟件，觀察到有一個設備連入，說明NodeMcu連接WIFI成功。

我們將一張紙巾點燃，然后將產生的一氧化碳靠近傳感器，平臺上的最新濃度值立刻增大為182ppm，并顯示為黃色，說明超過了正常值范圍。在15：58：43時，煤氣濃度增大到了182ppm，此時，NodeMcu上的LED立刻亮起，微信馬上收到報警信息，短信也立刻發送到手機上。

測試結果：測量數據表明，煤氣濃度與MQ-5輸出電壓關系函數符合正常情況，正常情況下測量的煤氣濃度值也符合標準，當濃度值超過預設的0—25ppm后，本地會立刻發起報警，也即本實驗測試的LED燈亮起，報警信息也會立刻發出，用戶能馬上收到信息，并能及時趕回家中處理。

五、實驗結論

使用無線通信的報警器，使得攜帶更為方便，處理問題也更加高效，在手機上能實時查詢當前室內煤氣濃度，還可在官網查詢數據，兩組數據的對比，以驗證測量數據的準確性。整個報警系統的總成本在30塊錢左右，大大低于市面上的報警器價格，整個報警器所占空間很小，既降低了成本，又節省了空間，再加上便捷的攜帶與查詢方式，使得整個設計具有較好的應用前景。

參考文獻：

[1]龔翔，李亞杰，高學平等.基于GSM的燃氣報警系統[J].機械工程與自動化，2011

[2]陳志旺，陳志茹，閻巍山等.51系列單片機系統設計與實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

作者簡介：殷國豪，2014級電子信息科學與技術專業學生，主要從事嵌入式系統研究；

通訊作者：白創，講師，主要從事超大規模集成電路設計與深度神經網絡算法研究。