單片機與物聯網技術的液化氣瓶智能稱重報警裝置

林為，胡昌吉，陳偉鎮，鄭亞

（佛山職業技術學院，廣東佛山，528137）

1 裝置整體設計

設計一種基于物聯網技術的液化氣瓶智能稱重報警裝置，主要用于瓶裝液化氣用戶，安全實用，使用簡單，具有自動稱重、參數設置、迅敏報警的功能。

整體設計如圖1所示，包括裝置本體①、內置電源⑦、蜂鳴器⑥、LCD顯示屏③、電源開關④和操作面板⑤等。裝置本體①上表面設置有用于放置液化氣瓶的稱重臺②，稱重臺②下面設置有“稱重傳感器”和“燃氣傳感器”（圖中未示出，參見圖2）；裝置本體1設置有單片機及相關電路（圖中未示出，參見圖2）。

圖1 基于單片機與物聯網技術的液化氣瓶智能稱重報警裝置整體設計

2 電控系統設計

電控系統以單片機為核心，對稱重傳感器和燃氣傳感器的數據進行采集、處理、分析和判斷，通過顯示屏、蜂鳴器以及無線模塊輸出，完成系統的功能。

如圖2所示，內置電源（防爆鋰電池）依次電性連接于電源開關和電源變換器（開關電源），電源變換器將內置電池的電壓變換成各種電源，為單片機、稱重傳感器、燃氣傳感器、LCD顯示屏、操作面板、無線模塊、蜂鳴器等供電。

圖2 電控系統方框圖

單片機采用高性價比的STM8S103F3P6，采用最小系統即可，如圖3所示。稱重傳感器采集的信號GS_SDA和燃氣傳感器采集的信號AS-SDA，通過I2C總線送到STM8S103F3P6單片機的A/D輸入端口，在單片機內部處理后通過LCD顯示屏顯示液化氣瓶的重量，并且在單片機內部分別與事先設定的液化氣重量閾值和燃氣濃度閾值作對比，采取相應的提示或報警動作。

內置電池的電壓（電量），根據電池的種類采用電阻分壓取樣到一個合理的范圍，然后送到STM8S103F3P6的ADC端口，通過單片機程序處理后顯示在LCD顯示屏上。以額定電壓為3.6V的鋰電池為例，電池電壓滿電為3.6V，電池低壓為2.5V。采用兩個200kΩ的電阻串聯對電池進行分壓，分壓后的電壓接到單片機的ADC端口進行檢測和提示，如圖3所示。

圖3 單片機STM8S103F3P6最小系統及電池檢測電路

集成控制器TPS61253構成升壓電路，將內置鋰電池的電源升至5V，再通過三端穩壓器AMS1117轉換為3.3V電壓，供單片機以及傳感器使用，如圖4所示。5V電源還供給蜂鳴器使用。

圖4 電源變換器

接通電源開關，單片機開始工作，LCD顯示屏可清楚顯示液化氣瓶的實時重量、內置電源的電量和參數設定值。通過操作面板進行參數設置，譬如液化氣瓶的余量下限，可依據液化氣瓶的充裝量設定為3%、5%或其他。參數設定好后，隨著使用時間的增加，液化氣瓶的重量減少，當實時重量低于余量下限時，單片機會發送報警信號至蜂鳴器，蜂鳴器立即大聲鳴叫示意。另外，也可以進行剩余電量參數設置，當內置電源的電量低于某設定值時，會及時報警通知用戶。當燃氣公司送來液化氣瓶，可使用本裝置對其進行稱重，確認重量是否符合標準。

3 系統軟件設計

系統軟件主流程圖如圖5所示。上電后系統初始化并進行電池檢測和顯示，然后分別讀取稱重傳感值和燃氣傳感值，并與事先設定的閾值作對比，一旦重量低于閾值或燃氣濃度高于閾值（發生漏氣），現場進行聲光報警作，并通過無線傳輸到云端。

圖5 系統軟件流程圖

4 外形及安全裝置設計

如圖1所示，該液化氣瓶智能稱重報警裝置呈扁平狀，四方或圓形，在其中間位置放置液化氣瓶；稱重臺②的表面形狀為圓形。

為了避免因燃氣泄露而造成嚴重事故，設置燃氣傳感器。燃氣傳感器沿著稱重臺②的外周均勻間隔設置，用于實時監測本裝置上放置的液化氣瓶的泄露情況，也可以監測液化氣瓶附近的液化氣灶的泄漏情況，一旦發現泄露，單片機會馬上發送報警信號，蜂鳴器⑥工作。

操作面板⑤設置有用于調整液化氣余量下限參數（閾值）的設置按鍵。

由于存在液化氣泄露、燃燒的隱患，為提高安全性，將內置電源⑦設置為防爆鋰電池。裝置本體①設置有用于放置防爆鋰電池的電源室，防爆鋰電池可從電源室拆下進行更換，非常簡單快速。裝置本體還設置有鋰電池的充電接口，只需停止使用該裝置，將充電器通過電源線連接到充電接口，便可對鋰電池進行快速充電。

本裝置還設置有報警用的指示燈⑨，與單片機相連。當處于報警狀態，該指示燈會發出紅光并閃爍。此外，本裝置還設置了工作狀態指示燈⑩，通過該工作指示燈可了解到本裝置是否處于正常工作狀態、是否存在斷路情況。

5 無線傳輸設計

為了解決用戶與灌裝站（燃氣公司）信息溝通問題，本裝置采用物聯網技術，設置無線模塊⑧。通過WIFI接收和發送信息，整體的覆蓋范圍和傳輸穩定性方面有著很好的優勢。用戶可通過操作面板進行無線連接，并且通過手機應用程序進行遠程設置，以及接收本裝置通過無線模塊發送的信息，實時了解液化氣瓶的情況，且通過無線模塊及其應用程序將液化氣瓶的重量信息發送至燃氣公司，提醒及時送氣。

具體來說，無線傳輸系統包括部分如圖6所示。其中，設備是指基于單片機與物聯網技術的液化氣瓶智能稱重報警裝置（本裝置）；云端是作為液化氣瓶智能稱重報警裝置云端服務平臺；客戶端是指用戶使用系統，包括PC與APP。

圖6 無線傳輸系統

設備通過WIFI預置SSID（也可使用網線連接），通過DHCP或靜態IP配置，獲得IP地址，再通過預置服務器地址（支持IP與域名兩種形式）組播協議訪問配置服務器地址；服務器對設備鑒權，鑒權通過后，調用配置服務接口，設備接收服務器指令并執行配置。

用戶打開APP，通過賬號密碼登錄，通過指定URL訪問服務器；然后通過APP查看設備信息，通過接口形式向指定設備發起請求，請求消息經服務器處理后觸達設備；設備根據指令，將液化氣重量信息回傳至服務器，服務器將該消息已響應形式給到APP。

設備與服務器通信，APP與服務器通信通過要保證進行加密解密處理，即消息經過加密形式發送，收到消息后必須先解密才能讀取。

6 結語

本文提出了一種基于單片機與物聯網技術的液化氣瓶智能稱重報警裝置，采用具有高防爆性能的內置電源，不但可以對液化氣瓶進行自動電子稱重，通過顯示屏顯示液化氣瓶的重量，而且還具有液化氣泄露報警、參數設置、余量低值報警、無線控制和無線發送信息的功能。液化氣瓶余量下限參數可利用操作面板靈活設定；用戶可通過手機APP對該裝置進行遠程操作并且能夠接收到該裝置發送的信息，同時，可將信息實時發送至燃氣公司，聯絡充氣服務。本裝置具有諸多實用功能，實現了智能、互聯、輕便、成本低、容易推廣的目的，專門用于瓶裝液化氣用戶群體。