智能防煤氣中毒裝置

郭履寶 龍濼安 曾煦亮 程浩哲 陳海寧

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的興起給日常生活帶來了很多便利。全自動化的開窗設(shè)計、閉閥設(shè)計以及物聯(lián)網(wǎng)模塊的搭建，使得居民可以避免煤氣中毒。本文基于物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計了智能防煤氣中毒裝置，致力于減少煤氣中毒事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：智能防煤氣中毒裝置;開窗設(shè)計;CO檢測模塊

中圖分類號：TP391 ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0112-03

Intelligent Anti-gas Poisoning Device

GUO Lv-bao， LONG Luo-an， ZENG Xu-liang， CHENG Hao-zhe， CHEN Hai-ning

（University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The rise of the Internet of Things has brought a lot of convenience to daily life. The fully automated window opening design， closed valve design and the construction of the Internet of Things module allow residents to avoid gas poisoning. This article designs an intelligent anti-gas poisoning device based on the Internet of Things module， which is dedicated to reducing the occurrence of gas poisoning.

Key words： intelligent anti-gas poisoning device; window design; CO detection module

燃?xì)馀c我們的衣食住行息息相關(guān)，它的廣泛使用，給我們的日常生活帶來了極大的便捷，但與此同時也帶來了很多的安全問題。當(dāng)燃?xì)庑孤r，如果不能及時采取開窗通風(fēng)等措施，便會引發(fā)事故，造成燃?xì)庵卸?、火?zāi)甚至嚴(yán)重的爆炸事故。為了提高家庭使用煤氣的安全性，讓家人的生命以及家庭的財產(chǎn)安全得到保障，需要一種保護裝置來消除燃?xì)庑孤┑碾[患。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前為了解決煤氣泄漏問題普遍采用的報警方式是：當(dāng)燃?xì)鈧鞲衅鳈z測到有燃?xì)庑孤┖螅⒓窗l(fā)出警鈴聲來提醒當(dāng)事人對該問題進行處理[1]。但是此種方式具有一定局限性，如果發(fā)生燃?xì)庑孤r無人在場或是人處于深度睡眠情況下未接收到警鈴聲，那么煤氣達(dá)到一定濃度會引發(fā)較大的安全事故，鑒于這種報警裝置的局限性，我們設(shè)計了此款智能防煤氣中毒裝置。

1 設(shè)計過程

該裝置由煤氣檢測傳感器，基于STM32的控制系統(tǒng)，煤氣控制閥，自動開鎖裝置，排風(fēng)換氣扇，繼電器，步進電機以及自動開窗機構(gòu)組成。

1.1 煤氣泄漏自閉閥門

在發(fā)生煤氣泄漏時，不光需要采取及時有效的通風(fēng)、報警等措施，還需從根源上切斷煤氣泄漏。因此我們運用類似的Z桿開鎖機構(gòu)來達(dá)到自動關(guān)閉煤氣閥的效果。當(dāng)單片機檢測到CO傳感器發(fā)出的泄漏信號時，及時向步進電機驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號，用以驅(qū)動步進電機帶動Z桿裝置旋轉(zhuǎn)，Z桿裝置與閥柄相連，Z桿旋轉(zhuǎn)可帶動閥柄往固定方向旋轉(zhuǎn)，來達(dá)到自動關(guān)閉氣閥的效果。

1.2 換氣扇的啟動

換氣扇模擬的是家庭廚房常用的抽油煙機，日常生活中的抽油煙機均為手動開啟。在此基礎(chǔ)上并聯(lián)了自動控制電路。自動控制電路由單片機和繼電器組成，由單片機控制繼電器動作。接入繼電器的電路處于常開狀態(tài)。單片機接收到煤氣泄漏信號時，即刻給繼電器信號控制排風(fēng)扇的開啟。這樣可達(dá)到在無人為干預(yù)下將換氣扇打開。

1.3 傳感器及控制部分

1.3.1 煤氣傳感器

我們選用CO傳感器模塊[2]作為檢測元件。煤氣泄漏信號被檢測到后，經(jīng)信號濾波放大，通過門限比較器進行識別。若該信號大于門限值，則傳感器模塊輸出為高電平。反之，則該模塊輸出為低電平。

1.3.2 窗戶開關(guān)信號檢測傳感器

該模塊主要由開關(guān)部分和磁鐵部分構(gòu)成。其中，開關(guān)部分主要就是一個常開型的干簧管;磁鐵部分主要就是一個永磁體，用于提供穩(wěn)定的磁場。當(dāng)開關(guān)部分與磁鐵部分靠近時，即窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)時，開關(guān)處于工作狀態(tài);反之，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。窗戶的開關(guān)狀態(tài)由窗戶開關(guān)檢測器以電信號的形式實時發(fā)送到單片機。

1.3.3 雨滴傳感器

雨滴傳感器模塊的雨水感應(yīng)板檢測到室外有雨滴信號時，傳感器模塊輸出有效低電平。我們通過C程序?qū)纹瑱C與該傳感器模塊的輸入信號接口設(shè)置為低電平觸發(fā)有效，若檢測到有效雨滴信號，則單片機接收到低電平，即刻觸發(fā)步進電機驅(qū)動器，向電機提供有效的驅(qū)動信號，使電機反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到雨天自動關(guān)窗的效果。

1.4 自動開窗部分

考慮到家庭窗戶種類的多樣性，我們共設(shè)計了兩類窗戶的自動開窗機構(gòu)[3]。

1.4.1 橫移式自動開窗機構(gòu)

在橫移式窗戶的上沿通過螺栓固定設(shè)計好的齒條，其次在安裝齒條的窗戶外框架的上方中間處固定好步進電機，并將輸出軸部分與同型號齒輪連接固定，同窗戶上的齒條相嚙合。當(dāng)步進電機接收到單片機驅(qū)動信號的時候會帶動齒輪轉(zhuǎn)動，達(dá)到橫移窗的自動開窗效果。圖1為橫移自動窗原理圖。

1.4.2 二連桿鉸接開窗機構(gòu)

此機構(gòu)是基于推窗設(shè)計的。采用二連桿機構(gòu)，使其一端鉸接在窗戶上框，然后連桿的另一端作為開窗動力裝置，在一端連接好齒輪并與步進電機相連接，然后連接好的模塊一起固定在窗戶上部的墻壁上。

當(dāng)電機轉(zhuǎn)動的同時帶著齒輪一起轉(zhuǎn)動，則會使二連桿運動，從而實現(xiàn)外推式窗戶的自動開窗。

1.5 輔助開鎖裝置部分

1.5.1 Z桿開鎖器

該裝置是通過安裝在支架上的電機帶動Z桿旋轉(zhuǎn)，進而帶動鎖把轉(zhuǎn)動，達(dá)到開鎖動作。調(diào)查了家庭常見窗戶鎖的類型，我們針對三八式執(zhí)手鎖以及T型鎖做了相關(guān)Z桿開鎖的設(shè)計。不同類型的窗戶鎖開鎖方向有一定差別，通過將Z桿開鎖器安裝在不同的位置，來改變電機帶動Z桿裝置旋轉(zhuǎn)的方向，以達(dá)到開啟不同類型鎖的目的。三八式執(zhí)手鎖的開鎖方向與窗戶平面是屬于相對平行關(guān)系，故步進電機與Z桿裝置的安裝位置應(yīng)當(dāng)是垂直于窗戶平面的。Z桿開鎖機原理圖如圖2所示。

1.5.2 曲柄連桿桿開鎖器

該裝置是通過安裝在支架上的電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，進而帶動連桿轉(zhuǎn)動，達(dá)到開鎖動作。調(diào)查了家庭常見窗戶鎖的類型，我們針對月牙鎖以及上下執(zhí)手鎖做了相關(guān)曲柄連桿輔助開鎖的設(shè)計。我們通過將曲柄連桿開鎖器安裝在不同的位置，便可達(dá)到開鎖的目的。曲柄連桿桿開鎖器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 設(shè)計結(jié)果

為了能夠在煤氣泄漏第一時間提醒人們或是在人們不便處理的情況下自動處理險情，我們自主設(shè)計制作了集自動閉閥裝置、自動開窗機構(gòu)、自動開鎖裝置、自動排換氣、智能手機App報警于一體的防煤氣中毒裝置。系統(tǒng)運行流程圖如圖4所示。

在居民日常正常使用煤氣即無泄漏的情況下，煤氣傳感器亦處于工作狀態(tài)，若煤氣泄漏濃度達(dá)到CO傳感器設(shè)定的檢測濃度時，傳感器直接發(fā)出電信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在接收到信號后通過無線傳輸向用戶手機App發(fā)送煤氣泄漏報警信息，及時告知用戶室內(nèi)煤氣的濃度，提醒用戶做出相應(yīng)的防范。其中手機報警可以發(fā)送短信到用戶手機上，也可以通過微信發(fā)送報警信號（圖5 微信報警界面）[4-6]。

我們增設(shè)了檢測天氣模塊，當(dāng)雨水感應(yīng)板檢測到室外有雨滴時，通過雨水傳感器模塊將該物理信號轉(zhuǎn)換處理成AO信號進行輸出，單片機接收到該輸入信號后，及時發(fā)送有效信號給步進電機驅(qū)動器，從而實現(xiàn)了如果下雨天能及時自動關(guān)窗的功能。此裝置在保障居民人身安全的同時，也為人們的日常生活提供了便利[7]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

我們針對智能防煤氣中毒裝置的工作完成時間做了多組實驗。實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

4 系統(tǒng)結(jié)論

智能防煤氣中毒裝置將煤氣檢測模塊與開窗機構(gòu)、換氣扇相連接，當(dāng)有煤氣泄漏時，不需要人為干涉就可以實現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)，能有效減少煤氣中毒事件的發(fā)生，消除煤氣泄漏帶來的安全隱患;從氣源上進行切斷，比單一地報警等措施更能保證煤氣泄漏現(xiàn)場的安全性。裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，性價比高，具有一個良好的應(yīng)用前景[8]。

參考文獻：

[1] 陳英，肖利軍，劉蒙瑞.智能家庭煤氣中毒及火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（15）：68-69.

[2] 張文霞，簡明陽，胡衛(wèi)杰.冶金企業(yè)CO氣體濃度檢測報警聯(lián)動事故排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計[J].冶金與材料，2020，40（5）：84-85.

[3] 陳一帆，賈樂樂，胡鵬，等.基于CPAC的玻璃幕墻開窗器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].黃河科技學(xué)院學(xué)報，2021，23（2）：60-65.

[4] 史經(jīng)允，史殊姝.基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路智能照明設(shè)計[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2021（8）：187-188.

[5] 白玉立，喻恒.基于Arduino的心率計步器的設(shè)計實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2021，34（7）：153-154，156.

[6] 萬方高，盧俊宇，盧俊誠，等.淺談基于STM32單片機的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國設(shè)備工程，2021（13）：95-96.

[7] 楊智霞.淺析單片機控制的汽車智能降溫系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機與配件，2021（14）：230-231.

[8] 馬祥琴.農(nóng)家煤爐取暖須“五防”[J].農(nóng)村科學(xué)實驗，2013（3）：44.

【通聯(lián)編輯：梁書】