基于ZigBee網絡的家庭燃氣閥門智能安全系統

章強 鄭春

摘要：物聯網家居在我國發展迅速，一大批智能家居逐漸涌現，在此基礎上我設計出一款家庭燃氣智能安全系統。本產品采用ZigBee網絡技術通過MQ-2氣體傳感器對空氣中燃氣進行檢測采集，從而實現燃氣的多處無線監測。當監測到燃氣泄漏時，CC2530模塊通過控制繼電器開關自動關閉電磁燃氣閥門并且蜂鳴報警器發出報警聲音，與此同時GSM移動通訊模塊向用戶發送短信提醒。本設計可廣泛應用于家庭燃氣監測。

關鍵詞：物聯網技術;天然氣閥門;ZigBee

中圖分類號：TP302 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0111-03

近年來，天然氣在家庭生活中使用越來越廣泛，無論是廚房還是供暖都為大家的生活帶來了便捷。但是在大家享受著天然氣帶來的便利的同時，也有一部分事故是來自于天然氣的泄漏，一旦發生天然氣泄漏就會造成火災、爆炸、氣體中毒等危險，給人們的生活帶來了嚴重的生命財產安全。因此設計一個天然氣泄漏報警器尤為重要。目前市場的燃氣安全報警裝置多數只能做到發出警報和自動關閉閥門的效果，而該設計方案采用了多對一的檢測，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現問題的節點，以便其及時精準處理。智能燃氣安全閥門采用ZigBee技術實現燃氣的多處無線監測[1]，同時通過GSM模塊移動通訊方式向用戶發送短信提醒。智能燃氣安全閥門設有外殼，外殼內設有控制器，閥門控制電路，電磁燃氣安全閥門，安全閥門上有手動開關。這樣既能實現閥門自動關閉并且遠近程同時提醒用戶發生燃氣泄漏。

1 設計方案

首先通過 MQ-2 氣敏傳感器對空氣中燃氣濃度進行監測;其次，通過采樣電路將監測得到的信號轉換為電信號通過ZigBee[2]終端設備控制電路對所得電信號進行識別，若識別結果表明天然氣濃度未超標，則繼續對空氣中天然氣濃度進行監測，若識別結果表明天然氣濃度超標，終端設備上的蜂鳴報警器響起，同時則將信號傳遞至 ZigBee 協調器，由協調器控制繼電器開關，繼電器控制燃氣電磁閥門關閉，GSM模塊收到開始工作向用戶發送報警信息，報警信息將以短信的形式發送至用戶手機。該設計使用多個ZigBee終端做到可以實現多處同時監測，用戶通過每個終端上的蜂鳴報警器能夠及時發現是哪個終端檢測到了燃氣泄漏，從而及時精確的處理燃氣泄漏[3]。設計原理如圖1所示。

2 硬件設計

本設計主要由ZigBee無線信息傳輸模塊、繼電器、電源模塊、GSM模塊、MQ-2氣體傳感器模塊、蜂鳴報警器模塊、天然氣電磁閥門等組成。

2.1 無線信息傳輸模塊

無線信息傳輸模塊使用的是ZigBee模塊，ZigBee模塊是目前物聯網最新的無線通信技術，可以實現多臺終端設備對一臺設備的信息傳輸，適用在信息傳輸距離短，對傳輸速率要求不高的電子設備。該模塊功耗低，兩節普通5號電池可使用6～24個月、成本低、時延短、信息傳輸可靠[4]。完全適用于家庭燃氣安全使用。

2.2 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器使用的材料是屬于在純凈空氣中導電率非常低的二氧化錫，該材料本身屬于無機物，化學穩定性強不溶于水，也難溶于酸堿溶液，所以很適合在家庭中的一些元器件材料中使用。當空氣中存在可燃氣體時，該傳感器的導電率就會因空氣中可燃氣體的濃度變化而變化，具體變化呈線性的變化關系。使用簡單的芯片就可以采集導電率的變化并且通過關系計算將該變化變成具體的氣體濃度變化傳遞給使用者。該氣體傳感器性價比高，使用于家庭燃氣的泄漏檢測。

MQ-2氣體傳感器模塊在沒有可燃氣體的影響下并且氣體的濃度沒有超過安全濃度范圍時，氣體模塊數字接口輸出一個高電平，模擬電平接口電壓基本為0V左右，當空氣中氣體影響超過設定安全值時，氣體模塊數字電平接口輸出低電平，模擬接口輸出的電壓會隨著氣體的影響逐漸增大;數字量輸出口可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，從而來判斷空氣中是否存在燃氣泄漏。

2.3 電磁閥門

天然氣屬于易燃氣體，若閥門使用的是簡單的電路控制本身就會存在非常大的安全隱患，因此在這里我的設計采用的是電磁閥門，電磁閥門本身結構簡單，密封性良好使用的是開關信號進行控制，從而避免了高電流帶來的潛在危險，控制起來也非常的方便，電磁閥門的響應時間可以短至幾毫秒，在燃氣泄漏時被檢測到的瞬間便可關閉燃氣閥門。

2.4 繼電器電路控制

繼電器和電磁閥門、GSM通訊模塊串聯在電路上，繼電器相當于電路的電源以及開關[6]，當繼電器收到ZigBee協調器[5]的信號時會打開開關并且給電路通電，此時電磁閥門會收到電信號立刻關閉閥門，GSM模塊開始工作給用戶手機發送報警短信，這樣設計的理念就是做到閥門關閉和報警信息同時進行。具體電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1系統主流程

打開系統，ZigBee協調器會進行初始化，當初始化成功時，系統進入正常工作狀態。MQ-2氣體傳感器會一直采集數據，當發現數據超過設定的安全閾值時會觸發事件，此時繼電器導通給電磁閥門一個電信號[7]，閥門自動關閉并且GSM模塊開始工作向用戶發送報警短信。MQ-2氣體傳感器對應的蜂鳴器會發出報警聲，可提示用戶是哪個終端檢測到了燃氣，從而得知是哪個地方的燃氣發生了泄漏。流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee聯網

ZigBee協調器和終端進是根據CC2530芯片GPI0配置基于GenericApp無線收發進行多終端點播通信，在硬件連接無誤后使用IAR集成開發環境將代碼燒至芯片中，然后進行開機初始化[8]。當終端組網成功后，首先會調用已經編寫好的函數上傳自己的短地址，接著啟動一個周期采集的定時器，定時器超時，調用采集無線發送函數。ZigBee終端采集環境中的氣體，無線上傳至協調器，協調器接受終端的數據并且能夠顯示氣體濃度的大小。實驗模型如圖5所示。

3.3 MQ-2氣體傳感器工作原理

正確連接MQ-2氣體傳感器和ZigBee終端，VCC：接電源正極（5V）、GND接電源負極、D0：數字信號，接P1_5、A0：模擬信號輸出，本設計接P06口上。接線原理如圖6所示。

因ZigBee協議棧[1]自帶有ADC采樣的代碼，我們只要把相關的宏開關打開即可。首先我們打開對應的工程文件，在對應的目錄下打開ADC定義為TRUE就可以使用ADC了。通過文件里的方法可以讀出對應IO口上的ADC電壓值。在終端聯網成功后啟動定時器，終端定時器超時啟動采樣，對MQ-2氣體傳感器的AO口輸出的電壓轉換成0～100的數，此時的數就是對應的氣體濃度，值越大濃度越高。

3.3.1傳感器的計算

[Rs=VcVr-1×Ra]

式中Vc為回路電壓，Vr是傳感器輸出電壓即U，Ra是電阻所承受的阻值，根據上式的計算就能算出傳感器電阻Rs的阻值大小。

MQ-2氣體傳感器導電率的大小是隨著空間中易燃氣體的濃度增大而增大，因為電阻和電導率是相反的關系，所以電阻是隨著氣體濃度增大而減小的，其特性和滑動變阻器特性差不多。

[U=ReRe+Rs×Vc]

Vc為串聯電路中所有電壓之和，也就是電源電壓，該電壓是加在氣體傳感器的1引腳和3引腳之間的。U的大小是氣體傳感器4引腳和6引腳的輸出電壓，Rs為傳感器的體電阻。

阻止R與空氣中被檢測到的氣體濃度C的數值關系式

[logR=m×logC+n]（m、n均為常數）

常數n：與此時的氣體檢測濃度的大小有關，除了與我們的氣體傳感器材料和氣體本身的性質或者特點不同而變化之外，還會由于當時所處環境的溫度和催化劑的不同而發生比較大并且明顯的變化。

常數m：表示根據環境中氣體濃度因而發生變化的氣體傳感器的靈敏度。對于易燃性氣體來說，m的數值大多數在1/2至1/3之間。

3.4 繼電器控制

使用CC2530芯片GPI0的配置方法控制繼電器模塊。繼電器有一個5V是接口，是通過P0_5經過三極管把3V的控制信號變成5V的控制信號實現的。從圖7可以看出，P0_5為低電平的時候三極管不同，繼電器的控制腳為高電平（J9的3腳）;當P0_5為高電平的時候，三極管導通，繼電器的控制腳為低電平。

繼電器的信號口連接ZigBee協調器，低電平的時候繼電器中的觸點會斷開，高電平的時候繼電器中的觸點會吸合，并且繼電器中觸點的吸合會有指示燈提醒。通過這個原理，當ZigBee協調器收到終端的氣體濃度過高的信號，協調器會給繼電器一個高電平使得電磁閥門關閉和GSM通信模塊工作。

4 系統測試及應用效果

硬件系統搭建完成后，首先檢查電路連接是否安全，各個模塊及傳感器線路連接是否正確，防止開機就被燒壞。當檢查一切無誤之后，打開電源開關測試軟件效果。電源開啟后，系統會自動讀取ADC，兩個ZigBee終端會自動連接ZigBee協調器并采樣分析，此時協調器上的LCD顯示器上也會顯示各個終端上MQ-2氣體傳感器的數值。這時的系統運行是正常的。這時我們可以使用打火機的氣體進行模擬燃氣泄漏，我們可以將兩個ZigBee終端及協調器放置在不同的房間從而模擬不同的地方。我們在任意一個終端處使用打火機的氣體湊近氣體傳感器觀察對應的終端蜂鳴報警器會不會發出聲響，同時燃氣閥門是不是快速關閉，用戶手機是不是能收到報警短信。如果所有的功能都實現了則證明系統正常。

4.1 測試結果

1）能對天然氣泄漏進行有效的監測。

2）自動關閉燃氣閥門。

3）向用戶發送報警信息。

4）對應的終端蜂鳴報警器響應。

5 結束語

目前的天然氣的使用非常的普遍，該設計解決了現有智能燃氣安全監測系統模式單一、不安全、不可靠，不能及時發現隱患的技術問題[3]。目前市場的燃氣安全裝置大多數只能做到發出警報和自動關閉閥門的效果，而我們采用了多對一的檢測，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現問題的節點，以便其及時精準處理。在對該設計進行安裝時，難免會遇見一些狹小黑暗的空間，我們可以采用一種照明手套來應付這種環境，該照明手套在大拇指第一關節處和食指第二關節處裝有LED燈，能有效提供照明并且不影響手指操作的靈敏性。該設計適用場景十分廣泛，例如可應用到酒店、別墅、居民社區、工廠、辦公大樓、商業中心等等，符合現代物聯網家居潮流[9]，極大地改變了我們現有的生活方式，并且對燃氣安全問題有非常好的監測效果，有較好的社會經濟安全效益。

參考文獻：

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[8] 邱凌.淺談智能家居[J].網絡信息技術應用與自動化，2008（5）：1-2.

[9] 高小平.中國智能家居的現狀及其發展趨勢[J].電器與效能管理技術，2005（4）：18-21.

【通聯編輯：梁書】