智能防煤氣中毒裝置

郭履寶 龍濼安 曾煦亮 程浩哲 陳海寧

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的興起給日常生活帶來(lái)了很多便利。全自動(dòng)化的開窗設(shè)計(jì)、閉閥設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)模塊的搭建，使得居民可以避免煤氣中毒。本文基于物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)了智能防煤氣中毒裝置，致力于減少煤氣中毒事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：智能防煤氣中毒裝置;開窗設(shè)計(jì);CO檢測(cè)模塊

中圖分類號(hào)：TP391 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）35-0112-03

Intelligent Anti-gas Poisoning Device

GUO Lv-bao， LONG Luo-an， ZENG Xu-liang， CHENG Hao-zhe， CHEN Hai-ning

（University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The rise of the Internet of Things has brought a lot of convenience to daily life. The fully automated window opening design， closed valve design and the construction of the Internet of Things module allow residents to avoid gas poisoning. This article designs an intelligent anti-gas poisoning device based on the Internet of Things module， which is dedicated to reducing the occurrence of gas poisoning.

Key words： intelligent anti-gas poisoning device; window design; CO detection module

燃?xì)馀c我們的衣食住行息息相關(guān)，它的廣泛使用，給我們的日常生活帶來(lái)了極大的便捷，但與此同時(shí)也帶來(lái)了很多的安全問(wèn)題。當(dāng)燃?xì)庑孤r(shí)，如果不能及時(shí)采取開窗通風(fēng)等措施，便會(huì)引發(fā)事故，造成燃?xì)庵卸尽⒒馂?zāi)甚至嚴(yán)重的爆炸事故。為了提高家庭使用煤氣的安全性，讓家人的生命以及家庭的財(cái)產(chǎn)安全得到保障，需要一種保護(hù)裝置來(lái)消除燃?xì)庑孤┑碾[患。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前為了解決煤氣泄漏問(wèn)題普遍采用的報(bào)警方式是：當(dāng)燃?xì)鈧鞲衅鳈z測(cè)到有燃?xì)庑孤┖螅⒓窗l(fā)出警鈴聲來(lái)提醒當(dāng)事人對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行處理[1]。但是此種方式具有一定局限性，如果發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)無(wú)人在場(chǎng)或是人處于深度睡眠情況下未接收到警鈴聲，那么煤氣達(dá)到一定濃度會(huì)引發(fā)較大的安全事故，鑒于這種報(bào)警裝置的局限性，我們?cè)O(shè)計(jì)了此款智能防煤氣中毒裝置。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

該裝置由煤氣檢測(cè)傳感器，基于STM32的控制系統(tǒng)，煤氣控制閥，自動(dòng)開鎖裝置，排風(fēng)換氣扇，繼電器，步進(jìn)電機(jī)以及自動(dòng)開窗機(jī)構(gòu)組成。

1.1 煤氣泄漏自閉閥門

在發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，不光需要采取及時(shí)有效的通風(fēng)、報(bào)警等措施，還需從根源上切斷煤氣泄漏。因此我們運(yùn)用類似的Z桿開鎖機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉煤氣閥的效果。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到CO傳感器發(fā)出的泄漏信號(hào)時(shí)，及時(shí)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z桿裝置旋轉(zhuǎn)，Z桿裝置與閥柄相連，Z桿旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)閥柄往固定方向旋轉(zhuǎn)，來(lái)達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉氣閥的效果。

1.2 換氣扇的啟動(dòng)

換氣扇模擬的是家庭廚房常用的抽油煙機(jī)，日常生活中的抽油煙機(jī)均為手動(dòng)開啟。在此基礎(chǔ)上并聯(lián)了自動(dòng)控制電路。自動(dòng)控制電路由單片機(jī)和繼電器組成，由單片機(jī)控制繼電器動(dòng)作。接入繼電器的電路處于常開狀態(tài)。單片機(jī)接收到煤氣泄漏信號(hào)時(shí)，即刻給繼電器信號(hào)控制排風(fēng)扇的開啟。這樣可達(dá)到在無(wú)人為干預(yù)下將換氣扇打開。

1.3 傳感器及控制部分

1.3.1 煤氣傳感器

我們選用CO傳感器模塊[2]作為檢測(cè)元件。煤氣泄漏信號(hào)被檢測(cè)到后，經(jīng)信號(hào)濾波放大，通過(guò)門限比較器進(jìn)行識(shí)別。若該信號(hào)大于門限值，則傳感器模塊輸出為高電平。反之，則該模塊輸出為低電平。

1.3.2 窗戶開關(guān)信號(hào)檢測(cè)傳感器

該模塊主要由開關(guān)部分和磁鐵部分構(gòu)成。其中，開關(guān)部分主要就是一個(gè)常開型的干簧管;磁鐵部分主要就是一個(gè)永磁體，用于提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)。當(dāng)開關(guān)部分與磁鐵部分靠近時(shí)，即窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，開關(guān)處于工作狀態(tài);反之，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。窗戶的開關(guān)狀態(tài)由窗戶開關(guān)檢測(cè)器以電信號(hào)的形式實(shí)時(shí)發(fā)送到單片機(jī)。

1.3.3 雨滴傳感器

雨滴傳感器模塊的雨水感應(yīng)板檢測(cè)到室外有雨滴信號(hào)時(shí)，傳感器模塊輸出有效低電平。我們通過(guò)C程序?qū)纹瑱C(jī)與該傳感器模塊的輸入信號(hào)接口設(shè)置為低電平觸發(fā)有效，若檢測(cè)到有效雨滴信號(hào)，則單片機(jī)接收到低電平，即刻觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，向電機(jī)提供有效的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到雨天自動(dòng)關(guān)窗的效果。

1.4 自動(dòng)開窗部分

考慮到家庭窗戶種類的多樣性，我們共設(shè)計(jì)了兩類窗戶的自動(dòng)開窗機(jī)構(gòu)[3]。

1.4.1 橫移式自動(dòng)開窗機(jī)構(gòu)

在橫移式窗戶的上沿通過(guò)螺栓固定設(shè)計(jì)好的齒條，其次在安裝齒條的窗戶外框架的上方中間處固定好步進(jìn)電機(jī)，并將輸出軸部分與同型號(hào)齒輪連接固定，同窗戶上的齒條相嚙合。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到單片機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到橫移窗的自動(dòng)開窗效果。圖1為橫移自動(dòng)窗原理圖。

1.4.2 二連桿鉸接開窗機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)是基于推窗設(shè)計(jì)的。采用二連桿機(jī)構(gòu)，使其一端鉸接在窗戶上框，然后連桿的另一端作為開窗動(dòng)力裝置，在一端連接好齒輪并與步進(jìn)電機(jī)相連接，然后連接好的模塊一起固定在窗戶上部的墻壁上。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶著齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，則會(huì)使二連桿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)外推式窗戶的自動(dòng)開窗。

1.5 輔助開鎖裝置部分

1.5.1 Z桿開鎖器

該裝置是通過(guò)安裝在支架上的電機(jī)帶動(dòng)Z桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)鎖把轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到開鎖動(dòng)作。調(diào)查了家庭常見(jiàn)窗戶鎖的類型，我們針對(duì)三八式執(zhí)手鎖以及T型鎖做了相關(guān)Z桿開鎖的設(shè)計(jì)。不同類型的窗戶鎖開鎖方向有一定差別，通過(guò)將Z桿開鎖器安裝在不同的位置，來(lái)改變電機(jī)帶動(dòng)Z桿裝置旋轉(zhuǎn)的方向，以達(dá)到開啟不同類型鎖的目的。三八式執(zhí)手鎖的開鎖方向與窗戶平面是屬于相對(duì)平行關(guān)系，故步進(jìn)電機(jī)與Z桿裝置的安裝位置應(yīng)當(dāng)是垂直于窗戶平面的。Z桿開鎖機(jī)原理圖如圖2所示。

1.5.2 曲柄連桿桿開鎖器

該裝置是通過(guò)安裝在支架上的電機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到開鎖動(dòng)作。調(diào)查了家庭常見(jiàn)窗戶鎖的類型，我們針對(duì)月牙鎖以及上下執(zhí)手鎖做了相關(guān)曲柄連桿輔助開鎖的設(shè)計(jì)。我們通過(guò)將曲柄連桿開鎖器安裝在不同的位置，便可達(dá)到開鎖的目的。曲柄連桿桿開鎖器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

為了能夠在煤氣泄漏第一時(shí)間提醒人們或是在人們不便處理的情況下自動(dòng)處理險(xiǎn)情，我們自主設(shè)計(jì)制作了集自動(dòng)閉閥裝置、自動(dòng)開窗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)開鎖裝置、自動(dòng)排換氣、智能手機(jī)App報(bào)警于一體的防煤氣中毒裝置。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4所示。

在居民日常正常使用煤氣即無(wú)泄漏的情況下，煤氣傳感器亦處于工作狀態(tài)，若煤氣泄漏濃度達(dá)到CO傳感器設(shè)定的檢測(cè)濃度時(shí)，傳感器直接發(fā)出電信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在接收到信號(hào)后通過(guò)無(wú)線傳輸向用戶手機(jī)App發(fā)送煤氣泄漏報(bào)警信息，及時(shí)告知用戶室內(nèi)煤氣的濃度，提醒用戶做出相應(yīng)的防范。其中手機(jī)報(bào)警可以發(fā)送短信到用戶手機(jī)上，也可以通過(guò)微信發(fā)送報(bào)警信號(hào)（圖5 微信報(bào)警界面）[4-6]。

我們?cè)鲈O(shè)了檢測(cè)天氣模塊，當(dāng)雨水感應(yīng)板檢測(cè)到室外有雨滴時(shí)，通過(guò)雨水傳感器模塊將該物理信號(hào)轉(zhuǎn)換處理成AO信號(hào)進(jìn)行輸出，單片機(jī)接收到該輸入信號(hào)后，及時(shí)發(fā)送有效信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)了如果下雨天能及時(shí)自動(dòng)關(guān)窗的功能。此裝置在保障居民人身安全的同時(shí)，也為人們的日常生活提供了便利[7]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

我們針對(duì)智能防煤氣中毒裝置的工作完成時(shí)間做了多組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

4 系統(tǒng)結(jié)論

智能防煤氣中毒裝置將煤氣檢測(cè)模塊與開窗機(jī)構(gòu)、換氣扇相連接，當(dāng)有煤氣泄漏時(shí)，不需要人為干涉就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)，能有效減少煤氣中毒事件的發(fā)生，消除煤氣泄漏帶來(lái)的安全隱患;從氣源上進(jìn)行切斷，比單一地報(bào)警等措施更能保證煤氣泄漏現(xiàn)場(chǎng)的安全性。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，性價(jià)比高，具有一個(gè)良好的應(yīng)用前景[8]。

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【通聯(lián)編輯：梁書】