基于ESP8266的燃氣泄漏云響應裝置*

摘要：當燃氣氣體濃度超過(guò)安全限值時(shí)，會(huì )向服務(wù)器發(fā)出警報，同時(shí)將報警信息傳輸到安裝了Android操作系統的移動(dòng)設備上，用戶(hù)可以根據警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發(fā)生。該系統實(shí)現了環(huán)境監測燃氣泄漏事件的實(shí)時(shí)響應，是一種全新的燃氣報警器設計，可以有效保護燃氣用戶(hù)的安全。

*基金項目：由大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目基金資助

近年來(lái)，燃氣泄漏事件變得越來(lái)越頻繁，其實(shí)一些燃氣泄漏事件是可以被及時(shí)發(fā)現和預防的，但是由于缺乏有效的監測系統，這類(lèi)事件經(jīng)常被忽視，造成嚴重的安全隱患。為了解決這一問(wèn)題，研究者們開(kāi)發(fā)了一系列的燃氣報警器，以便及時(shí)發(fā)現燃氣泄漏事件，從而保護用戶(hù)的安全。

目前，大多數燃氣報警器采用傳統的本地報警方式，例如，許多燃氣報警器采用聲音、燈光等本地報警方式，這種報警方式只能發(fā)出本地報警，無(wú)法及時(shí)發(fā)現燃氣泄漏事件，并且可能會(huì )因為環(huán)境噪音而無(wú)法發(fā)出報警。另外，一些研究者也提出了基于GSM 網(wǎng)絡(luò )的報警系統，但是GSM 網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍較小，報警系統的可靠性較低。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于ESP8266的燃氣泄漏云響應系統。該系統主要由MQ-4 氣體傳感器、MC106B 傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RGBLED、ESP8266 MCU、Android 操作系統移動(dòng)設備以及云端傳感器網(wǎng)絡(luò )組成。

本文以ESP8266-12f 為核心控制器，ESP8266 是一款可編程的小型微控制器，具有低功耗、低成本、小體積、高性能等優(yōu)點(diǎn)。它可以實(shí)現多種不同的物聯(lián)網(wǎng)應用，比如室內環(huán)境監測、家庭自動(dòng)化、網(wǎng)關(guān)設備等。環(huán)境監測燃氣泄漏云響應系統旨在監測室內燃氣水平，如果燃氣泄漏，將通過(guò)云服務(wù)及時(shí)發(fā)送警報。這樣可以大大減少燃氣泄漏帶來(lái)的損失和危害。本文將闡述如何使用ESP8266 設計這樣一個(gè)系統以及它的功能和特點(diǎn)。

1 整體設計方案

1.1 硬件系統設計

采用ESP8266 作為主控芯片：ESP8266 是一款高性能、穩定、可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制芯片，可實(shí)現WiFi 連接，集成TCP/IP 協(xié)議棧，可以連接云端。燃氣傳感器,用于檢測環(huán)境中的燃氣濃度，如有泄漏可以及時(shí)發(fā)出警報。溫濕度傳感器, 用于檢測環(huán)境中的溫度和濕度，以確保檢測結果的準確性。 外部蜂鳴器, 當環(huán)境中出現燃氣泄漏時(shí)，外部蜂鳴器可以發(fā)出警報，提醒人們注意安全。電磁閥，如若發(fā)生燃氣泄漏，可進(jìn)行遠程控，阻隔泄漏。外部電源，用于給各模塊提供電源，以便系統正常工作。

圖1 主硬件模塊

1.2 溫濕度監測模塊

此模塊我們采用DHT11，DHT11 是一種常用的溫濕度傳感器，以實(shí)時(shí)測量環(huán)境中的溫度和濕度，它可以輸出0~100% 的濕度和0~50℃ 的溫度數據，精度可達±2℃。其硬件設計非常簡(jiǎn)單，由1 片單芯片組成，其中包含1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè)濕度傳感器和1 個(gè)微控制器。該傳感器通過(guò)向微控制器發(fā)送信號來(lái)檢測溫度和濕度，并將結果發(fā)送給用戶(hù)。此外，DHT11 也包含1 個(gè)模擬輸出接口，可以將溫濕度結果轉換成模擬信號，以便用戶(hù)讀取。

DHT11 里面封裝了1 個(gè)8 位MCU，單片機連接了1 個(gè)電阻式感濕元件和1 個(gè)NTC 測溫元件，圖2 為簡(jiǎn)單圖示。

圖2 DHT11元件簡(jiǎn)圖

1.3 氣體監測模塊設計

氣體監測模塊，采用MC106B 氣體傳感器與MQ-4氣體傳感器結合使用。

MQ-4：MQ-4 是一款甲烷傳感器，主要用于檢測空氣中的甲烷含量。它能夠準確地檢測空氣中的甲烷含量，從而有助于確保安全和節能。它具有低成本，緊湊設計，低功耗，低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

MC106B：MC106B 氣體傳感器是一種微型射頻電容氣體傳感器，它能夠測量各種氣體的濃度，并可以在室內環(huán)境下檢測甲烷、氨氣、氯氣、二氧化碳等氣體的濃度。并且具有良好的電磁兼容性，可在室溫下持續長(cháng)達5 年。它采用分立極化電容式結構，具有快速響應、高精度、低電流消耗等優(yōu)點(diǎn)。

為了提高檢測的精準度，對MC106B 進(jìn)行出信號隨環(huán)境濕度變化特性觀(guān)測，以實(shí)現精準測量。

圖3 為MC106B 的輸出信號隨環(huán)境濕度變化。

圖3 MC106B特性曲線(xiàn)

1.4 電源模塊設計

放電控制電路、檢測電路、保護電路和充放電接口等。電源管理電路主要負責將輸入電源調節到所需要的電壓，以及控制電池的充放電狀態(tài)；充放電控制電路主要負責控制充放電的流程；檢測電路主要負責檢測電池的電壓和電流等信息；保護電路主要負責防止電池過(guò)充過(guò)放；充放電接口主要負責連接電池和外部電源。

1.5 OLED顯示屏設計

選用0.96 寸OLED 顯示效果出眾，具有極高的對比度和亮度；可以更節省電能，使用耗電量比普通LCD顯示器更低；更輕薄，比普通LCD 顯示器的厚度更??；更可靠，具有更長(cháng)的使用壽命。

OLED 用來(lái)顯示溫度、濕度，燃氣濃度等環(huán)境參數。此外，OLED 還可以用來(lái)顯示搭配系統的調試信息，使用者可以查看到系統運行狀態(tài)，從而有效提升系統的可靠性和穩定性。

1.6 聲光報警設計

當監測到的燃氣濃度高出閾值，或者環(huán)境溫濕度異常時(shí)向云端發(fā)出警報信息，同時(shí)采用聲音和光學(xué)報警的方式來(lái)報警并向云端發(fā)送危險信息。當待測氣體體積分數超過(guò)預設的檢測閾值時(shí)，單片機 控制三極管導通，使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過(guò)改變與單片機相連引腳輸出波形的頻率，就能控制蜂鳴器音調變化；通過(guò)控 制 LED燈與IO 口相連端的電壓來(lái)調節燈的亮滅。 在程序 中設定LED 燈間隔 1s 進(jìn)行閃爍作為警示。

1.7 電磁閥的設計

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開(kāi)有通孔，每個(gè)孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線(xiàn)圈通電閥體就會(huì )被吸引到哪邊，通過(guò)控制閥體的移動(dòng)來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉不同的排油孔，而進(jìn)油孔是常開(kāi)的，液壓油進(jìn)入不同的排油管，通過(guò)油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機械裝置。進(jìn)而通過(guò)控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動(dòng)。單片機控制電磁閥如下圖4。

圖4 控制電磁閥簡(jiǎn)圖

2 軟件設計

系統的軟件設計主要分為兩個(gè)部分，即ESP8266 的軟件設計和云服務(wù)器的軟件設計。

2.1 ESP8266的軟件設計的組成

1）WiFi 模塊的配置： 首先， 配置ESP8266 的Wi-Fi 模塊，使其可以連接到云服務(wù)器；

2）溫濕度傳感器的驅動(dòng)：編寫(xiě)驅動(dòng)程序，以實(shí)現對DHT11 溫濕度傳感器的控制，從而實(shí)時(shí)獲取環(huán)境中的溫度和濕度信息；

3）氣體傳感器的驅動(dòng)：編寫(xiě)驅動(dòng)程序，以實(shí)現對MC106B 與MQ-4 對可燃氣體的濃度監測；

4）RGB LED 的驅動(dòng)：編寫(xiě)驅動(dòng)程序，以實(shí)現對RGB LED 的控制，從而根據溫度和濕度的變化來(lái)控制顏色；

5）數據傳輸：編寫(xiě)程序，實(shí)現將溫度和濕度數據通過(guò)WiFi 發(fā)送到云服務(wù)器，以便遠程控制和監測；

6）電磁閥的控制：編寫(xiě)程序，通過(guò)控制單片機IO口輸出高低電平，實(shí)現控制電磁閥。

2.2 云服務(wù)器的軟件設計的組成

1）網(wǎng)絡(luò )連接：編寫(xiě)程序，以實(shí)現ESP8266 和云服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò )連接；

2）數據接收：編寫(xiě)程序，以實(shí)現從ESP8266 接收溫度和濕度數據的功能；

3）數據處理：編寫(xiě)程序，實(shí)現數據的存儲、處理和可視化等功能，以便進(jìn)行遠程監控和控制。

3 系統測試

3.1 構建測試環(huán)境

根據系統設計的功能，搭建1 個(gè)可以模擬燃氣泄漏的測試環(huán)境，來(lái)檢測系統的響應速度和準確性。

1）使用傳感器測量環(huán)境中的變量，包括溫度、濕度、空氣質(zhì)量、空氣壓力、氣體濃度等，并對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

2）使用ESP8266 將采集到的數據上傳到云端，并實(shí)時(shí)監測燃氣泄漏情況；

3）在云端進(jìn)行數據分析，根據環(huán)境的變化，判斷是否有燃氣泄漏的可能；

4）當發(fā)現有可能發(fā)生燃氣泄漏時(shí)，及時(shí)發(fā)出報警信號，并及時(shí)采取安全措施。

3.2 模擬環(huán)境測試

使用模擬工具來(lái)模擬燃氣泄漏的環(huán)境，對系統的響應能力進(jìn)行測試。

使用電子煙機、氣體濃度檢測儀、溫濕度計等儀器進(jìn)行測試，用于檢測和記錄環(huán)境參數，以評估系統性能。

3.3 功能測試

測試系統的各個(gè)功能模塊，確保系統能夠按照預期來(lái)完成設計的功能。

功能測試可以從兩個(gè)方面進(jìn)行：

1）從硬件層面進(jìn)行測試，包括ESP8266 的連接、網(wǎng)絡(luò )檢測、傳感器的工作情況、報警設備的正常運行等；

2）從軟件層面進(jìn)行測試，包括系統的通信性能、數據的收集、存儲、處理、上傳等功能的正常運行。

3.4 性能測試

測試系統的性能，檢查其穩定性、響應速度、可靠性等指標。

在基于ESP8266 的環(huán)境監測燃氣泄漏云響應系統設計的性能測試方法中，我們使用壓力測試、延遲測試、可靠性測試和安全性測試等技術(shù)來(lái)檢測系統性能。壓力測試可用于測試系統在高并發(fā)情況下的表現，延遲測試可用于測試系統處理請求的速度，可靠性測試可用于測試系統的可靠性。

3.5 安全測試

測試系統的安全性，確保系統能夠符合安全要求。

3.6 測試數據

本次數據采集通過(guò)利用亞克力板，搭建外部隔絕環(huán)境，每分鐘進(jìn)行1 次數據采集，共采集13 組數據，見(jiàn)表1。

圖5 效果展示

4 結束語(yǔ)

本文提出了一種基于ESP8266 的環(huán)境監測燃氣泄漏云響應系統，該系統利用MQ-4 氣體傳感器和MC106B感器檢測環(huán)境中的燃氣氣體濃度，并將數據上傳到云端，當燃氣氣體濃度超過(guò)安全限值時(shí)，會(huì )向服務(wù)器發(fā)出警報，同時(shí)將報警信息傳輸到安裝了Android 操作系統的移動(dòng)設備上，用戶(hù)可以根據警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發(fā)生。通過(guò)測試，該系統能夠實(shí)現實(shí)時(shí)響應，從而有效地保護了用戶(hù)的安全。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）