基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)

彭高潔 龍馨 龍光利

摘 要：針對(duì)忘記關(guān)閉燃?xì)忾y門導(dǎo)致天然氣泄露，從而發(fā)生失火事故、爆炸使人窒息、死亡等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)。利用傳感器采集室內(nèi)的溫度、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的有效信息采集，然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī);STM32根據(jù)設(shè)定好的報(bào)警閾值對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷;當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)輸出控制信號(hào)，控制閥門的開(kāi)閉，同時(shí)還可通過(guò)ZigBee傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包后傳輸給終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端系統(tǒng)之間的有效通信，與對(duì)家用燃?xì)膺M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和對(duì)燃?xì)饬髁渴褂们闆r的實(shí)時(shí)觀察，同時(shí)還可遠(yuǎn)程操控關(guān)閉閥門。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感器;燃?xì)獗O(jiān)控;ZigBee;遠(yuǎn)程操控;通信

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-00-020

0 引 言

隨著當(dāng)今時(shí)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用已普及到社會(huì)領(lǐng)域的方方面面，智能家居也逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶，成為生活必需品。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，智能廚房也將成為居家做飯、日常生活的必需設(shè)施。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)模逐步擴(kuò)大，不論是家用炒菜還是供暖，都為人們的生活帶來(lái)了很大便利，使人們生活的質(zhì)量得到了明顯提高。但同時(shí)也帶來(lái)了諸多問(wèn)題，比如偶爾忘記關(guān)閉燃?xì)忾y門導(dǎo)致天然氣泄露，從而發(fā)生失火事故、爆炸，甚至使人窒息、死亡。由于人們居住環(huán)境以及家庭燃?xì)獗砉δ芎吞攸c(diǎn)不同，導(dǎo)致燃?xì)獍踩O(jiān)控設(shè)施相關(guān)的投入存在明顯差異，而天然氣使用的一大難題就是泄露問(wèn)題，如果家庭內(nèi)燃?xì)獍l(fā)生泄漏，將造成嚴(yán)重的后果?？紤]到燃?xì)庠诮佑|到明火會(huì)發(fā)生火災(zāi)，給居民的人身財(cái)產(chǎn)安全造成難以挽回的損失，因此我國(guó)政府相關(guān)部門一直都在完善和加強(qiáng)關(guān)于燃?xì)獍踩褂玫谋O(jiān)管工作。針對(duì)燃?xì)獗O(jiān)管技術(shù)以及相關(guān)治理工作存在的問(wèn)題，需要采取與時(shí)俱進(jìn)的科學(xué)監(jiān)管方法。本文所提的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家用燃?xì)獾膭?dòng)態(tài)監(jiān)控和對(duì)流量使用情況的實(shí)時(shí)觀察，同時(shí)還可以遠(yuǎn)程操控關(guān)閉閥門。

1 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)溫度傳感器采集室內(nèi)溫度、MQ-5氣體傳感器采集可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的有效信息采集，然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32微處理器，STM32根據(jù)設(shè)定好的報(bào)警閾值對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)輸出控制信號(hào)，控制閥門的開(kāi)關(guān)，并且將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸給終端系統(tǒng)。終端系統(tǒng)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行適當(dāng)處理，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端之間的有效通信?？稍谟脩艚K端（即PC端或手機(jī)APP端）查看相關(guān)數(shù)據(jù)，或在終端發(fā)出指令，通過(guò)ZigBee傳送至STM32單片機(jī)，令STM32發(fā)生動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)的主機(jī)原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由無(wú)線傳輸模塊、電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、LCD顯示模塊等組成。

2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

燃?xì)鈱儆谝兹家妆瑲怏w，當(dāng)今存在的燃?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都采用有線傳輸方式[1]，但該方法存在許多安全隱患。一些舊的燃?xì)夤芾砉局饕蕾噭趧?dòng)力、財(cái)力以及物力的大量投入完成入戶安檢等各項(xiàng)工作，不僅工作效率低下，還不能實(shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)獍踩珷顟B(tài)[2]。所以現(xiàn)存的部分燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)已無(wú)法匹配當(dāng)今信息化時(shí)代的要求，因此日趨成熟的ZigBee無(wú)線技術(shù)成為目前應(yīng)用的首要選擇，它原理簡(jiǎn)單、易于使用、穩(wěn)定高效、安全性高，且維護(hù)成本相對(duì)更低。

系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，是基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的一種低速短距離網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)。系統(tǒng)采用ZigBee模塊，以CC2530為內(nèi)核。CC2530具有低功耗的特點(diǎn)，在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，耗電量微乎其微，一旦有中斷掛起又可以快速傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

MQ-5可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）[3]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入MQ-5，當(dāng)有燃?xì)庑孤r(shí)，燃?xì)鉂舛葧?huì)隨著時(shí)間增加而升高，MQ-5的電導(dǎo)率也因此增加。然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將變化轉(zhuǎn)換為與燃?xì)鉂舛认鄬?duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。該傳感器可以檢測(cè)多種可燃性氣體，成本較低[4]。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11通過(guò)傳感技術(shù)采集當(dāng)前室內(nèi)的溫度及濕度數(shù)據(jù)值，反饋給STM32微處理器，然后經(jīng)相關(guān)電路使相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在LCD顯示屏上，同時(shí)利用無(wú)線通信發(fā)送至終端系統(tǒng)。

MQ-5可燃?xì)怏w傳感器和溫度傳感器的STM32微處理器接收到數(shù)據(jù)后檢測(cè)、判斷數(shù)據(jù)是否超過(guò)設(shè)定的預(yù)警閾值，若超過(guò)，則STM32微處理器發(fā)出指令，使報(bào)警模塊工作，并自動(dòng)控制燃?xì)忾y門關(guān)閉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程如圖2所示。

首先對(duì)STM32微處理器（MCU）進(jìn)行初始化，如果STM32有觸發(fā)事件，則判斷是否為數(shù)據(jù)接收事件，如果不是，則對(duì)其進(jìn)行中斷處理;如果是數(shù)據(jù)接收事件，那么進(jìn)行預(yù)警值閾值判斷。若檢測(cè)到溫度值或燃?xì)鉂舛戎党^(guò)所設(shè)定的預(yù)警閾值則啟動(dòng)報(bào)警模塊，報(bào)警結(jié)束后進(jìn)入等待事件狀態(tài)。

3.2 ZigBee組網(wǎng)流程

組網(wǎng)流程主要是進(jìn)行程序初始化，通過(guò)按鍵設(shè)定設(shè)備的邏輯類型，然后復(fù)位。復(fù)位后啟動(dòng)協(xié)議棧，判斷協(xié)議棧是否啟動(dòng)成功，如果失敗，觸發(fā)START_EVT事件繼續(xù)啟動(dòng)協(xié)議棧，直到協(xié)議棧啟動(dòng)成功。之后把協(xié)調(diào)器設(shè)置成允許其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)模式，建網(wǎng)成功[5]。ZigBee建網(wǎng)流程如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CC2530芯片，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)燃?xì)獾氖褂们闆r進(jìn)行無(wú)線傳輸[6]，實(shí)時(shí)掌握待測(cè)燃?xì)夤?jié)點(diǎn)的溫度、可燃?xì)怏w濃度、流量使用等數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了之前有線監(jiān)控的不足。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警，在應(yīng)用到智能家居的同時(shí)，也可以通過(guò)布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到廠區(qū)等場(chǎng)所，在大大降低監(jiān)管成本的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)安全系數(shù)的監(jiān)管和企業(yè)經(jīng)營(yíng)效率的提升。綜合來(lái)看，該系統(tǒng)適用于家庭燃?xì)獗O(jiān)控，滿足了人們的日常需要[7]。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，該系統(tǒng)可以提高城市的燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)水平，從而保證燃?xì)獾陌踩煽抗┙o。

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