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基于STM32与物联网的燃气监测系统设计

2024-08-26 22 上传者：管理员

摘要：近年来因天然气管道老化而泄漏、忘关燃气和违规操作等导致的厨房安全事件频繁发生，对人生财产造成很大威胁。根据天然气的安全监控需求，以低成本、多功能和物联网为重点设计了一个智能终端用以监控厨房用气安全状况。该终端基于STM32单片机，利用多个低成本传感器来判断燃气是否泄漏，并简单判断泄漏位置。用户除了通过按键和屏幕进行交互，该设备还集成语音控制与报警、厨房舒适度监测与物联网监控等多种功能，实现对厨房安全状态和天然气用量实时的数字化管理，提高厨房的安全性。

关键词：
STM32
厨房安全
天然气
燃气监测
物联网
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国内城镇家庭使用天然气存在安全隐患，需定期监测避免事故。若采用人工巡检的方式，存在成本高、效率低和危险大等缺陷[1]。在餐饮行业的天然气事故中，违规操作通常是导致事故的主要原因[2]；在家庭日常使用中，通常是管道长时间未检修导致泄漏和用户忘关煤气灶导致事故发生。天然气爆炸极限为5%～15%，遇到火星、电火花等火源时，立即发生爆炸，对人员、建筑造成严重伤害[3]。因此，建立一个稳定、安全、低成本的智能天然气监测系统十分重要。该设备需较好的人机交互、燃气阀门能在险情时自动关闭和数据上传等功能，以满足当今厨房安全的要求。

1、总体设计

本设计以STM32F103C8T6为核心，具气体检测、厨房环境监测、语音定时阀门、危险报警和物联网等功能如图1所示。它具有语音命令，OLED屏幕、按键和指示灯，以方便不同年龄段的用户快速上手；同时，用户可通过蓝牙和手机互联，获取实时信息。考虑到家庭偶尔断电，系统设计了维持5 h左右的电池，电池和市电供电能自动切换；系统采用GPRS网络与后台发送信息和远程危险报警，为用户提供更多的数据通道，将气体用量等信息上传至云端，以便燃气公司了解燃气使用情况。

图1终端总体设计

2、硬件设计

2.1供电电路

本设计采用电池和外部双供电设计，二者自动切换。外部供电与电池均为7.5 V电源，7.5 V电源直接供给继电器和电子阀门。同时，系统分别设置了5 V和3.3 V的稳压器以满足多个外设的正常工作。供电电路如图2所示，当外部供电VOUT时，PMOS截止，电池VBAT被堵住；当外部供电断开，电池供电时，经过体二极管，PMOS管的源极约为6.8 V，而栅极为0 V,MOS管导通，VOUT被两二极管堵上，PCB由电池供电。

图2供电设计

Fig.2 Power supply design

2.2继电器电路

由于STM32的IO口推挽输出功率小，因此需要外接继电器来控制阀门。如图3所示，三极管开闭受IO口的推挽输出控制，能使继电器的控制端处于7.5 V和接近0 V。为了防止继电器中线圈关断时产生较大电流，因此在继电器两端并联快恢复二极管，防止击穿三极管。

图3继电器驱动电路

2.3通信模块

系统可以通过蓝牙和手机互联获取更多信息，也可以通过GPRS网络向后台发送信息和气体泄漏报警。其中蓝牙模块采用国产芯片DX-BT18,GPRS通信采用SIM800模块[5]，由于两模块工作时信息收发频繁，二者采用2个不同串口与MCU相连。蓝牙芯片的外围电路如图4所示，芯片供电为3.3 V，按键为长按复位；排针P20可控制GPIO25的高低电平，以控制芯片是否处于AT指令状态；发光二极管D1常亮为已连接设备，闪烁为待机。应用时可先通过串口模式设置模块的名称和波特率，再与MCU连接。

图4蓝牙模块接口电路

2.4监测传感器设置

监测中设置甲烷、一氧化碳和人体感应传感器进行综合低成本检测，系统分别采用2块GMM11甲烷传感器在厨房2个位置对气体采样，MQ7一氧化碳传感器和DHT11温湿度传感器作为辅助检测[4]。其中气体传感器均为5 V供电，模拟信号输出，DHT11为3.3 V供电，单总线通讯，原理如图5所示。人体感应采用HLK-LD2410B，供电为5 V，原理为微波感应，发出高低电平信号，考虑到部分厨房结构复杂，一个感应器不能扫描准确，因此该模块通过74AHC1G32或门逻辑运算模块与IO口相连，安装时可自行决定安装个数。经过样机实验，该模块扫描范围约120°，距离约8 m。

图5 DHT11外围电路

2.5语音模块及其通讯

语音模块采用LU-ASR01，该模块具有接受发送语音指令、IO口和串口发送的功能。由于STM32串口资源有限，故SIM800和语音模块通信均使用同一个串口，由于串口显性电平为低，在外设的TX端与单片机RX端中间加入一个肖特基二极管，可以防止一个外设拉低时对另一外设的干扰。肖特基二极管快恢复性足以满足9600的波特率。经过查询数据手册和实验，1N4148型二极管压降对通信无影响。串口挂载多设备的示意如图6所示。

图6窗口多机通信电路

2.6其他外设

该系统还设有定时加减按键和定时模式按键来手动控制阀门的开闭，具有一块0.96英寸的OLED屏幕显示厨房安全状态等。

3、软件设计

3.1程序总体设计

程序分两大部分，下位机负责实时采集数据、报警输出、指令接收、数据上传等，云端负责数据的接收与可视化、物联网算法、预警信息生成及发送等。

图7为终端控制流程，用户可以通过语音或按键对阀门定时控制，系统能够实时监测厨房的气体和舒适度，根据检测的结果执行断开阀门和多级报警等操作，根据人体感应的结果，通过语音报警或拨打电话及时通知用户。系统能够将煤气用量等信息发送到云端，用户不仅可以通过屏幕获取厨房信息，也能通过蓝牙获取。

图7主程序流程

云端程序流程如图8所示，程序能够检测设备是否故障，显示泄漏报警信息，并且将传感器数据和气体用量可视化，方便人员管理与维修。

3.2时间轴和定时功能

由于系统功能主要在于定时运行，因此使用一个定时器作为时间轴记录，所有函数的计时功能均基于该时间轴，所有有关定时的函数在一开始获取时间轴，再运算出执行时间。

图8云端程序流程

语音模块识别语句后通过串口发送给STM32，根据发送内容判断定时时间，当前时间轴加上定时时间实现继电器定时开闭。用户也可使用按键来加减定时时间，并且可以通过功能键让阀门处于常开或常闭状态。定时程序的流程图如图9所示。

图9定时时间轴流程

OLED屏幕虽然具有功率低、效果好的优势，但会因为某一像素点长时间显示导致烧屏或坏点。为避免该现象，系统具有按键亮屏的功能。按下亮屏键后，OLED屏幕可在规定时间内亮屏显示。

3.3语音通话

由于SIM800模块在发送数据和拨打电话时存在信号不佳和死机等问题，因此程序在此需要做防死循环等措施来确保其他程序能够顺利执行。如图10所示，程序开始时会获取当前时间戳，在SIM800执行打电话和发送数据之前，STM32先会建立握手应答和判断信号良好的指令收发，当SIM800返回的数据参数合格后再发送后续指令，确保数据传输的准确性。当SIM800卡死或信号不佳时，超过阻塞时间程序会自动跳出并返回错误标志位。通过此模块向云端发送数据程序逻辑与之相同。

图10 SIM800控制流程

3.4 FLASH优化存储

STM32可以通过一个引脚读取外部电路是否断开，若系统为电池供电时，STM32每间隔一段时间会将气体用量存入一次FLASH，防止断电数据丢失。

由于FLASH的擦写次数有限，频繁在同一块擦写会导致FLASH的此块无法操作[6]，通常STM32F1系列的FLASH能保证10000次的擦写次数。为了延长设备寿命并尽量节省FLASH资源，程序将气体用量数据、擦写次数和当前页数作为结构体存入同一页的不同地址上。程序通常在FLASH的前部，为了使气体用量等信息不干涉程序的运行，设定从127页逐一往前写，每当擦写到达设定次数，页数自减存入新的一页，避免存入坏块，保证数据成功存储。当重新上电再次读取FLASH时会获取每一页中的该页擦写次数，当小于额定次数就将数据存入该页，否则访问下一页数据。

3.5程序运行的安全性

由于单片机有一定可能会出现死机现象，而系统强调厨房安全，因此程序设置了约26 s的看门狗，卡死时能自动复位。

3.6高低配的选择

考虑到用户厨房结构不同、传感器成本的因素，设备选用传感器个数可能不同。程序通过宏定义对传感器的初始化与读取条件编译，在设备出厂时更改该宏的参数，使得对不同版本的设备编译。

3.7物联网连接与后台监测

本文采用中国移动开发的ONENET物联网云端平台。HTTP是互联网上最常用的协议之一，几乎所有的设备和平台都能支持HTTP协议，便于设备之间的通信和数据交换[8]。由于本设备上传数据包的内容少，因此本实验采用HTTP协议。

当通过AT指令给SIM800设置好移动台类别和连接服务器等操作后，设备即可上传数据至云端。通过ONENET数据流的创建，对气体用量和气体浓度值绘制折线图显示，并且显示报警种类编号。由于ONENET只能显示原始数据，可以用C#读取下载的csv文件，将整天的煤气用量数据读取，根据上传时间间隔计算出用户在各个时间段的煤气使用情况，并且用chart控件或Scott Plot制作折线图可视化，以方便维修人员在合适时段维修。

设备还可以与手机蓝牙交互，实验调试软件为蓝牙调试宝。用户可通过手机观察厨房气体传感器的数据和最近气体用量。设备会根据上述FLASH存储的次数大致判断设备寿命，发送至用户手机。

4、多个低成本传感器联合安全报警

各个燃气监测传感器的安装位置如图11所示，通过下述低成本传感器，可以对气体泄漏的位置做出较精确的判断，并产生故障码，气体泄露原因与传感器状态关系如表1所示。随后将故障码上传至云端，后台可根据故障码判断泄露位置。

图11燃气监测传感器位置图

表1传感器状态与故障位置

当系统检测到有可燃气体泄漏时，将立即关闭阀门，并通过SIM800的GPRS功能发送泄漏信息到后台。设备不同种类报警对应的操作如表2所示。

表2报警种类与响应

5、应用前景

目前，市面上有很多智能燃气阀，例如日本的煤气阀可以感知地震与附近火灾来切断阀门[7]，但是许多产品未能把语音和物联网集为一体，并且通常不适应中国本土环境。

国内市面上能很多智能家用燃气探测器，通常采用一个高精度、高成本的可燃气传感器来检测泄漏，通常对预热和存放要求较高，而本设备采用了多个低成本较低精度的传感器联合判断，具有操作简便优点，同时能兼顾厨房环境舒适度，并能大致判断气体泄漏的位置。在人机交互方面，国内主流设备通常为按键操作，数码管显示；而本设备可以通过按键或语音指令定时，OLED屏幕显示内容更全面。相比于成本相近的智能家用燃气探测器，此设备在安全报警方面功能更丰富，不仅能语音报警，还能在联网条件下将数据发送至云端。

6、结语

本设备采用先进的离线语音模块，能准确、快速识别用户指令，满足基本的人机智能交互，简化用户操作；利用多参数、低成本传感器进行综合判断，实现较精确地对泄漏和位置判断；同时设备结合物联网云技术，实现多方式的报警，并且将数据发送至云平台，便于燃气维修和实时观测燃气使用安全状态。

参考文献:

[1]赵彪,伍天能,蒋至,等.天然气场站安全目视化的建设与研究[J].化工设计通讯,2023,49(11):31-33.

[2]中国城市燃气协会安全管理工作委员会.2023年上半年全国燃气事故分析报告[J].城乡建设,2023(16):18-23.

[3]张雪琳.浅谈城市天然气泄漏事故处置对策[J].石化技术,2023,30(10):62-64.

[4]高文,刘欣雨,陈佩,等.基于STM32的智能绿植养护系统设计[J].自动化与仪表,2023,38(5):110-114.

[5]李小敏,赵艳丽,杨延宁.一种基于RFID和SIM800C的远程防盗智能门禁与安防系统的设计[J].电子设计工程,2023,31(14):113-117.

[6]李露,谢映宏,许永军,等.STM32的Flash轻量级坏块管理算法设计与应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(8):40-43.

[7]王尧棋.日本家庭使用煤气的安全对策[J].消防技术与产品信息,1995(4):37-42.

[8]郑冬冬.基于无人机平台的CO2排放探测系统设计与研究[D].淮南:安徽理工大学,2024.

文章来源:张一添,余先涛,伍晨阳,等.基于STM32与物联网的燃气监测系统设计[J].自动化与仪表,2024,39(08):99-103+111.