基于STM32的燃氣智能應急處理裝置設計*

曾富強，李 寧，石慶燭，鐘鑫洋，劉國權

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013）

0 引言

目前市場上涌現出眾多與燃氣監測相關的產品，然而，大多數存在功能單一、無法實時監控以及警報范圍有限等問題。鑒于此，許多學者開展了相關研究工作[1-4]。文獻[5]設計了一款智能家用燃氣報警裝置，但該裝置只能實現基本的燃氣泄漏檢測及報警功能。文獻[6]在文獻[5]的基礎上加入了顯示模塊和紅外通信模塊，可以顯示出燃氣的各類數據并實施通信，但不足之處在于該系統是手持式而且紅外通信受距離限制，存在局限性。文獻[7]設計了一款智能庭院燃氣管道泄漏報警切斷(限流)裝置，功能強大，應急措施完善，但是結構復雜，使用難度較大且成本較高。文獻[8]加裝了排氣和斷閥的功能，卻不能進行數據分析上傳。文獻[9]提出，智能檢漏保護系統具備多種機制實施的能力，能夠協同多個機構，顯著提高燃氣進戶的安全系數。文獻[10]提出一種新穎的家用遠程燃氣關閉裝置。文獻[11]則側重于硬件和電路的設計。文獻[12]將燃氣表與報警器結合在一起，具有一定的新穎性。文獻[13-14]設計了面向家用的可燃報警（器）系統。文獻[15]設計了一款基于STC89C52 家用燃氣的檢測裝置，具有自動檢測和遠程通知功能。

綜上所述，當前市場上的大多數燃氣報警裝置仍然采用傳統機械設計，缺乏實時數據傳輸、遠程控制和遠程報警功能，存在顯著的局限性。本文提出一款基于STM 32 的智能燃氣報警裝置，除了具備傳統燃氣報警器的功能外，該裝置還能自動處理數據并上傳云端，將各類數據發往用戶手機，真正做到實時檢測的效果。該裝置通過多種傳感器實時監測燃氣、溫度等數據，這些傳感器將采集的信息傳輸至控制系統。控制系統根據所收集的數據判斷廚房是否發生火災或燃氣泄漏，并通過無線網絡將數據即時傳送至云端，提醒用戶采取相應的行動。

1 總體框架設計

本文系統的核心芯片采用STM32F405，配備了LED紅燈和蜂鳴器，以滿足裝置的報警功能要求。溫濕度傳感器SHT30 用于采集環境溫濕度信息，而燃氣檢測傳感器MP5 則用于監測煤氣和天然氣的濃度。LCD 顯示屏用于顯示各類數據，通過ESP8266 上傳至ONENET 平臺，然后由SIM800C 發送信息給用戶。這款裝置的亮點在于它能夠實時地向用戶傳遞危險信息，使用戶能夠在第一時間了解情況并采取必要的措施，從而降低事故的發生風險。本裝置結構如圖1所示。

如圖1所示，STM32片內資源豐富，處理速度快，可拓展性強，不僅可以減小裝置系統的能耗，也提高了系統的實用性和二次開發的可能，利用軟件編程可節約大量的資源和實現系統裝置多功能。圖2所示為裝置工作的模擬情景。

圖1 裝置系統結構

圖2 裝置工作模擬情景

2 硬件電路設計

本設計的主控芯片采用STM32F405，電源模塊通過TPS54331DDAR 和AMS1117 將12 V 電壓轉換為5 V，然后穩定至3.3 V 以供電。檢測模塊使用溫濕度傳感器模塊，通過IIC 協議與主控制器進行通信，同時MQ5 氣體傳感器通過ADC 采集模擬信號。LCD 顯示屏用于向用戶呈現設定的數據，同時ESP8266 用于將數據上傳至云端并進行存儲。當氣體傳感器信號超過設定的閾值時，單片機將控制有源蜂鳴器進行報警并關閉閥門。此外，用戶可以通過App 或云端隨時實時查看現場情況，提供了便捷的監控和互動方式。

（1）主控電路

采用STM32F405 芯片，用于數據處理、手機短信的通信和外圍電路的控制。

（2）顯示電路

采用LCD 液晶顯示屏用于溫度的實時顯示。該顯示屏為128 像素×128 像素，采用SPI 接口，每個像素可以由點脈沖直接控制，每個節點相對獨立且可以連續控制，這不僅提高了顯示屏的反映速度，還可以準確控制。

（3）溫濕度采集電路

采用SHT30溫濕度傳感器，該傳感器使用IIC協議與單片機實現通信，將采集到的溫度信息實時送給單片機，單片機將收到的數據處理后實時地在液晶屏上顯示出來。

（4）燃氣檢測電路

采用MQ5 傳感器，單片機的ADC1，并將PC1 作為模擬輸入口，在軟件層面實現數據換算處理。

（5）通信電路

采用ESP8266，通過單片機的串口通信實現和手機移動端的實時通信，達到實時給用戶發送報警短信的目的。

（6）報警電路

采用LED 燈和蜂鳴器，通過單片機的串口連接實現燃氣濃度到達設定數值后蜂鳴器響和LED 紅燈閃爍，由于單片機的I∕O 驅動能力不強，對蜂鳴器的驅動加入一個NPN 三極管，使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。而三極管基極的電路保證了只有在單片機輸出低電平時，蜂鳴器才會發聲，有效避免產生誤報警。

當系統上電后，單片機會進行初始化操作。MQ5 模塊會啟動，并進行全天24 h 的燃氣濃度監測。隨后，溫濕度傳感器開始采集環境溫度和濕度數據，并將這些數據實時顯示在液晶屏上。當MQ5 模塊檢測到的濃度超過設定閾值時，蜂鳴器和LED 燈會開始工作，同時ESP8266模塊會向用戶的手機發送短信提醒。

該系統硬件電路原理如圖3所示。

圖3 硬件設計簡圖

3 系統流程

為了實現系統的各項功能，對系統各個功能進行相應的程序設計。從主程序到各模塊的子程序經過嚴格的設計和調試，本裝置整體運行流暢，已完成預期任務。

3.1 主流程

系統上電啟動后，蜂鳴器模塊、ESP8266 通信傳輸模塊、云平臺、ABC 模塊以及LCD 模塊都會經過初始化過程，驅動電路啟動整個系統的運行。使用串口中斷函數，在燃氣濃度達到設定數值時，通過單片機的串口連接，LED 燈會亮起并且蜂鳴器響起，以提醒用戶。同時， 系統會通過ESP8266 將相關數據上傳至云平臺，一旦泄漏問題得到解決，系統將退出這一流程，回到原本正常工作狀態。燃氣檢測裝置主流程如圖4所示。

圖4 燃氣檢測裝置主流程

3.2 氣體傳感器工作流程

本裝置采用MQ5 天然氣傳感器與主控制器協同工作，其詳細流程如圖5 所示。一旦裝置初始化完成并進入正常工作狀態，它會通過中斷來啟動氣體檢測。檢測后，裝置將采集到的氣體數據進行顯示，并同時上傳至云端，最終回到主程序以完成一次檢測。

圖6 數據上傳子流程

圖5 氣體檢測子流程

3.3 數據上傳流程

當裝置檢測到環境溫濕度和燃氣濃度數據時，需要將數據上傳至云平臺，具體流程如圖6 所示。ESP8266切換至AP+WiFi 模式下將實時數據上傳至云端，接收到發送成功的AT指令后結束發送，用戶收到報警信息可以遠程查看，并及時做出相應的措施。

4 裝置測試

本文燃氣檢測系統主要由STM32F405 作為中控， 由正點原子ESP8266 TCP+AP 模式進行聯網通信，右上方MP5 可檢測天然氣燃氣等易燃易爆氣體，在MP5 下方由蜂鳴器與左方紅色LED 作為報警時警示用戶，左上方的TFT 屏可實時顯示周圍環境的情況。藍色LED為正常工作電燈。

（1）燃氣檢測系統的PC端數據傳輸顯示

在ONENET 云平臺上，用戶可以遠程實時查看裝置信息，并且能夠通過下達簡單的指令來控制裝置的開關等操作。鑒于用戶不一定隨身攜帶電腦的情況，可通過手機應用程序ESPTouch 查看相關裝置發送的數據，實時了解燃氣檢測系統的運行情況。云端數據信息如圖8 所示。App數據信息如圖9所示。

圖7 裝置初始狀態

圖8 云端數據信息

圖9 App數據信息

該裝置進行初始化，ESP8266 配網，當接入成功裝置正常顯示時，蜂鳴器鳴叫提醒用戶設備已工作狀態。燃氣檢測系統正常工作狀態下，可通過1.44 cm×2.54 cm TFT LCD（1.44 寸）實時顯示數據，界面也可設置燃氣濃度的安全范圍來提示用戶。

（2）對燃氣檢測系統的性能測試數據分析

實驗在室內無空調風扇等影響下進行，為了實驗安全，采用模擬泄漏源，對于上面實驗考慮到會受到前一次實驗影響，設定間隔10 min 以上，觀察體積分數數值為0～100×10-6是一個正常環境的水平再開始實驗，實驗數據均由云平臺提供，與上節選比較有代表性的三次數據進行比較。

實驗數據對比顯示泄漏源越接近傳感器，裝置響應速度越快，數據增加的幅度越大，蜂鳴器報警最迅速，泄漏源距離裝置0.1 m時，響應速度最快。在檢測到泄漏氣體時迅速響應，在2 s 后迅速上升，最終距離峰值330 極為接近，觸發報警。

泄漏源距離裝置0.2 m時，該系統響應速度適中。4 s后，裝置檢測到燃氣體積分數迅速上升，但最終體積分數數值比前者低。

泄漏源距離裝置大于0.2 m 時，在6 s 后迅速上升，觸發報警。實驗數據折線如圖11 所示。由圖可知，這款可燃氣體檢測裝置具有較好的檢測精度和響應速度，能夠滿足正常檢測的需求。經過24 h 不間斷運行測試，分析測試數據顯示，燃氣檢測系統表現出了較高的穩定性和靈敏性，沒有出現長時間的數據缺失或數據發送丟失現象。總體而言，其性能表現滿足設計要求。

5 結束語

本文所設計的基于STM32 的智能燃氣報警裝置，解決了燃氣泄漏檢測不及時的問題，并引入了實時查看數據和遠程操作功能。在功能實現的同時，采用了實時、智能化和多渠道化的設計理念。該裝置已經成功滿足了設計要求，理想情況下可覆蓋小區住戶和商業街區，允許物業進行系統管理和監控，移動云終端的運用尤其突出。當前的智能燃氣報警裝置系統性仍有改進的空間，未來可以考慮對上位機進行系統性的開發，以設置管理員和用戶等權限。本文的設計思路對其他檢測裝置的設計有一定的參考價值。

圖10 裝置數據顯示

圖11 實驗數據折線圖（安全范圍數值＜200）