煤氣泄漏自動巡檢系統設計

包志鵬 楊會保

摘 要：設計了煤氣泄漏巡檢系統，采用STM32作為主要控制單元，以小車為載體，實時采集環境的煤氣濃度信息，當檢測煤氣泄漏時，啟動聲光報警機制，可實現自動尋跡巡檢以及手動控制巡檢，通過藍牙通訊模塊，在上位機端實現輸入指令使小車是實現定時巡檢設置功能，及時制止煤氣泄漏事件的發生。

關鍵詞：煤氣泄漏，STM32，自動尋跡巡檢，藍牙通訊

1 背景

近年來煤氣的普及使用給人們帶來了極大的便利，但是安全性問題也隨之增加。煤氣泄漏所引起的爆炸，中毒和火災事故頻頻發生，這在某種程度上增加了城市以及國家的不安全性和不穩定性因素。目前檢測煤氣是否泄漏的傳感器有一個比較很大的局限性，煤氣泄漏到一定的濃度才能檢測的到，并且還被限制了地域，需要安裝在灶臺周圍很小的地域才能檢測到。同時，報警聲不一定能被聽見，其次，若用戶在聽到報警聲一段時間后進入廚房關閉燃氣，可能會發生更大的安全事故。并且隨著國民經濟的不斷發展，工業、城市建設、社區居民對燃氣需求量的不斷加大，城市燃氣安全運行日益凸現重要性。煤氣泄漏會使人民的生命財產的遭受巨大損失，因此必須定期巡檢。早期的燃氣管網巡檢，主要是通過人工攜帶檢測儀，巡檢工作量巨大，效率低，而且無法保障巡檢人員工作質量。因此，為了減少甚至杜絕此類事件的發生，急需制作一種能夠實現自動尋跡尋跡及遠程控制巡檢的煤氣檢測報警系統?，F如今，隨著各領域的需求不斷的增大，生產力也必須隨之變快，且在效率加快的前提下準確性也是最基本的要求。因此單片機和無線藍牙通訊技術可以有效的解決人工采集方法下的短板問題，并且此技術簡單易懂為人們所能接受，而且能夠實現遠程監測，廣泛地應用于煤氣監測系統當中。

2 系統設計

2.1硬件設計

分為七部分，分別由STM32單片機控制模塊、煤氣采集模塊、尋跡檢測模塊、藍牙通訊模塊、聲光報警模塊、電機驅動模塊及電源模塊組成，其系統總體框圖如圖1所示：

氣體傳感器采集環境的煤氣濃度信息，經過內部集成的A/D模塊轉換為數字信號后，將其輸入至STM32單片機，控制模塊對傳感器采集的信號進行分析，驅動藍牙通訊模塊將采集的環境煤氣濃度信息傳輸至上位機。從而實現在上位機上實時監測環境的煤氣濃度數值功能。紅外光電傳感器用于檢測尋跡軌道，單片機驅動電機的左右輪轉動，實現自動尋跡巡檢功能。當采集到的煤氣濃度超出設定的報警閾值時，單片機驅動蜂鳴器鳴叫，LED燈亮起，實現聲光報警功能。用戶通過上位機輸入巡檢間隔時間控制信號，通過藍牙傳輸至單片機，單片機接收控制信號，驅動電機工作，從而實現遠程定時巡檢功能。

2.1.1單片機控制模塊

STM32是增強型的STM系列單片機，芯片主要實現邏輯運算以及燒寫可編程程序后執行相應的操作。芯片數據支持重復擦寫，擦寫次數可達數千次。整個單片機系統與外部模塊的通信方式為串口信號通信，能夠兼容市面上絕大多數功能模塊的通信類別。本設計采用的是STM32F103C8T6單片機芯片作為主控芯片。

2.1.2煤氣采集模塊

煤氣的主要成分是CO，CO傳感器的研究和應用方面達到了很高水平，形成了多系列多品種的產品。相比之下我國的研究和應用比較滯后，特別在產品開發上亟待加強。CO 傳感器的選擇。市面上主流的有MQ系列的2，5，7，9，m2cs4524。本設計中，對于煤氣濃度的采集選用氣體傳感器MQ-2模塊。MQ-2傳感器廣泛用于于家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監測裝置，使用簡單案例豐富。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫組成的氣敏材料，當空氣中檢測氣體濃度的增加時，傳感器的電導率會隨之增大，模塊加上電壓通過比較器等電路即可實現將材料電導率的變化轉換為電壓信號的變化。MQ-2將采集的煤氣濃度變化轉換成電壓信號的變化，輸出至AD轉換模塊轉換成數字信號至單片機，單片機控制模塊通過分析，可以換算得出空氣中的煤氣濃度數值。

2.1.3尋跡檢測模塊

藍牙通訊模塊選擇使用HC06模塊，每一對設備之間進行藍牙通訊時，必須一個為主角色，另一為從角色，才能進行通信，通信時，必須由主端進行查找，發起配對，建鏈成功后，雙方可收發數據。當上位機發送數據是，上位機通過TTL電路與此時主端藍牙連接向與單片機連接的從端藍牙通訊，當上位機接受數據，單片機發送數據時則相反。實現單片機控制模塊與上位機之間的數據通信功能，單片機將采集數據傳輸至上位機，同時單片機接收上位機輸入的控制信號，實現雙向通信功能。HC06作為藍牙作為無線通信模塊應用非常廣泛，不僅可以進行數據傳輸，而且能夠進行數據共享，還允許用戶自己修改ROM，具有功耗較低，成本較低，但性能較好，因此在無線數據監測和控制系統中被廣泛應用。

2.1.4電機驅動模塊

電機驅動控制器選用L298，該芯片驅動能力強，性能穩定，廣泛地應用于各類電機控制系統，該驅動板可驅動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高壓平時有效，當ENA為低電平，電機停止轉動;當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“00”狀態時，電機為制動狀態;當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“01”狀態時，電機為正轉狀態;當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“10”狀態時，電機為反轉狀態;當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“11”狀態時，電機為制動狀態。如表一所示：

2.2軟件設計

總體軟件流程是由整體架構按照主程序加模塊化的子程序設計思路來組成。明確軟件程序所要需要調用的資源及所預期的處理結果，通信方式采用全雙工的異步藍牙通訊模式，由上位機進行定時巡檢的時間設定，再有藍牙模塊進行發送和接受到單片機上，進行循跡時通過檢測黑線來判斷路徑，同時氣體檢測模塊檢測氣體含量并反饋，當超過一定值時進行聲光報警。

2.2.1系統主程序流程圖

首先給STM32單片機控制板通電后，主程序最先需要進行系統初始化，包含傳感器配置、GPIO端口定義以及串口初始化，保證單片機與上位機端能夠進行正常通信。完成初始工作后，循環采集傳感器的檢測數據，讀取紅外傳感器檢測數據、及經氣體傳感器及A/D轉換之后傳輸的煤氣濃度數據，接著程序通過藍牙通信模塊，將煤氣濃度信息上傳至上位機平臺，實現遠程監測功能。然后調用循跡檢測函數，判斷是否檢測到黑線，若是，則主程序調用循跡算法程序，然后調用電機驅動程序，單片機輸出PWM波控制左右電機工作，實現在循跡任務。然后程序進入判斷函數，判斷環境中煤氣濃度是否達到設定的報警閾值，MQ-2傳感器數字口輸出低電平使得聲光報警下降沿低電平觸發蜂鳴器鳴叫，LED燈亮起，實現聲光報警功能。同時觸發中斷上傳當前位置信息，然后程序進入判斷函數，判斷上位機指令是否發出，若是，則通過無線通訊模塊傳輸控制指令，單片機完成定時巡檢功能。然后主程序跳出判斷函數，循環至傳感器采集程序。系統主程序流程圖如圖2所示。

2.2.2藍牙通訊程序設計

藍牙通訊模塊選擇使用HC06模塊，實現單片機控制模塊與上位機之間的數據通信功能，單片機將采集數據傳輸至上位機，實現數據上傳。同時單片機接收經過藍牙通訊模塊上位機輸入的控制信號，實現雙向通信功能。初始化完成后程序進入待機狀態等待中斷的發生，中斷函數內，傳感器采集的數據，由單片機處理后有藍牙通訊模塊上傳至上位機，并在上位機上實現數據顯示。流程圖如圖3所示。

3 系統測試

首先保證協調器最小系統的穩定運行，后對各個獨立的子功能模塊進行性能測試，是否按照預期的功能實現，若某個模塊不可用，可單獨對該模塊的電源輸入、信號傳輸等方面進行逐項排查，最終目的實現整個硬件系統的基本功能完好。調試上電前有一個很重要的細節就是要對電壓點的對地阻抗進行測量，若出現阻抗為零，則表明電源有短路狀況務必解決此不良后方可上電。子功能模塊的通信信號收發也同樣是調試的關鍵，可通過加入串口收發工具接到PC端上對其進行監控，便于判斷具體信號傳輸異常出現的步驟。在確保電路板沒有焊接錯誤的情況下，接通電源。把完整的電路按照功能劃分為小模塊并分別對它們進行調試，只有每個功能的模塊都能完整運行后，才能確保后面的整機聯調可以順利的進行。

單片機通過藍牙將采集的煤氣濃度數據傳輸至上位機端，并且當氣體濃度達到設定值之后，打開上位機進行串口連接設置，完成后，可觀察到煤氣濃度數據和位置信息，上位機界面圖如下圖4所示。

4、結論

通過對系統的軟件設計和調試，說明設計的可行，達到了設計要求。

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作者簡介：

包志鵬（1997—），男，浙江麗水人，學生，電氣工程及其自動化專業;楊會保（1974-）通訊作者，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統應用。

基金項目：2019年國家級大學生創新業訓練計劃項目（項目編號：1913001022）