基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家庭燃?xì)忾y門(mén)智能安全系統(tǒng)

章強(qiáng) 鄭春

摘要：物聯(lián)網(wǎng)家居在我國(guó)發(fā)展迅速，一大批智能家居逐漸涌現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上我設(shè)計(jì)出一款家庭燃?xì)庵悄馨踩到y(tǒng)。本產(chǎn)品采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)MQ-2氣體傳感器對(duì)空氣中燃?xì)膺M(jìn)行檢測(cè)采集，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾亩嗵師o(wú)線監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到燃?xì)庑孤r(shí)，CC2530模塊通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉電磁燃?xì)忾y門(mén)并且蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音，與此同時(shí)GSM移動(dòng)通訊模塊向用戶(hù)發(fā)送短信提醒。本設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于家庭燃?xì)獗O(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);天然氣閥門(mén);ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TP302 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）05-0111-03

近年來(lái)，天然氣在家庭生活中使用越來(lái)越廣泛，無(wú)論是廚房還是供暖都為大家的生活帶來(lái)了便捷。但是在大家享受著天然氣帶來(lái)的便利的同時(shí)，也有一部分事故是來(lái)自于天然氣的泄漏，一旦發(fā)生天然氣泄漏就會(huì)造成火災(zāi)、爆炸、氣體中毒等危險(xiǎn)，給人們的生活帶來(lái)了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此設(shè)計(jì)一個(gè)天然氣泄漏報(bào)警器尤為重要。目前市場(chǎng)的燃?xì)獍踩珗?bào)警裝置多數(shù)只能做到發(fā)出警報(bào)和自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)的效果，而該設(shè)計(jì)方案采用了多對(duì)一的檢測(cè)，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現(xiàn)問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)，以便其及時(shí)精準(zhǔn)處理。智能燃?xì)獍踩y門(mén)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾亩嗵師o(wú)線監(jiān)測(cè)[1]，同時(shí)通過(guò)GSM模塊移動(dòng)通訊方式向用戶(hù)發(fā)送短信提醒。智能燃?xì)獍踩y門(mén)設(shè)有外殼，外殼內(nèi)設(shè)有控制器，閥門(mén)控制電路，電磁燃?xì)獍踩y門(mén)，安全閥門(mén)上有手動(dòng)開(kāi)關(guān)。這樣既能實(shí)現(xiàn)閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉并且遠(yuǎn)近程同時(shí)提醒用戶(hù)發(fā)生燃?xì)庑孤?/p>

1 設(shè)計(jì)方案

首先通過(guò) MQ-2 氣敏傳感器對(duì)空氣中燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè);其次，通過(guò)采樣電路將監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過(guò)ZigBee[2]終端設(shè)備控制電路對(duì)所得電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，若識(shí)別結(jié)果表明天然氣濃度未超標(biāo)，則繼續(xù)對(duì)空氣中天然氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若識(shí)別結(jié)果表明天然氣濃度超標(biāo)，終端設(shè)備上的蜂鳴報(bào)警器響起，同時(shí)則將信號(hào)傳遞至 ZigBee 協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器控制繼電器開(kāi)關(guān)，繼電器控制燃?xì)怆姶砰y門(mén)關(guān)閉，GSM模塊收到開(kāi)始工作向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警信息，報(bào)警信息將以短信的形式發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)。該設(shè)計(jì)使用多個(gè)ZigBee終端做到可以實(shí)現(xiàn)多處同時(shí)監(jiān)測(cè)，用戶(hù)通過(guò)每個(gè)終端上的蜂鳴報(bào)警器能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)是哪個(gè)終端檢測(cè)到了燃?xì)庑孤?，從而及時(shí)精確的處理燃?xì)庑孤3]。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由ZigBee無(wú)線信息傳輸模塊、繼電器、電源模塊、GSM模塊、MQ-2氣體傳感器模塊、蜂鳴報(bào)警器模塊、天然氣電磁閥門(mén)等組成。

2.1 無(wú)線信息傳輸模塊

無(wú)線信息傳輸模塊使用的是ZigBee模塊，ZigBee模塊是目前物聯(lián)網(wǎng)最新的無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)終端設(shè)備對(duì)一臺(tái)設(shè)備的信息傳輸，適用在信息傳輸距離短，對(duì)傳輸速率要求不高的電子設(shè)備。該模塊功耗低，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6～24個(gè)月、成本低、時(shí)延短、信息傳輸可靠[4]。完全適用于家庭燃?xì)獍踩褂谩?/p>

2.2 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器使用的材料是屬于在純凈空氣中導(dǎo)電率非常低的二氧化錫，該材料本身屬于無(wú)機(jī)物，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)不溶于水，也難溶于酸堿溶液，所以很適合在家庭中的一些元器件材料中使用。當(dāng)空氣中存在可燃?xì)怏w時(shí)，該傳感器的導(dǎo)電率就會(huì)因空氣中可燃?xì)怏w的濃度變化而變化，具體變化呈線性的變化關(guān)系。使用簡(jiǎn)單的芯片就可以采集導(dǎo)電率的變化并且通過(guò)關(guān)系計(jì)算將該變化變成具體的氣體濃度變化傳遞給使用者。該氣體傳感器性?xún)r(jià)比高，使用于家庭燃?xì)獾男孤z測(cè)。

MQ-2氣體傳感器模塊在沒(méi)有可燃?xì)怏w的影響下并且氣體的濃度沒(méi)有超過(guò)安全濃度范圍時(shí)，氣體模塊數(shù)字接口輸出一個(gè)高電平，模擬電平接口電壓基本為0V左右，當(dāng)空氣中氣體影響超過(guò)設(shè)定安全值時(shí)，氣體模塊數(shù)字電平接口輸出低電平，模擬接口輸出的電壓會(huì)隨著氣體的影響逐漸增大;數(shù)字量輸出口可以與單片機(jī)直接相連，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，從而來(lái)判斷空氣中是否存在燃?xì)庑孤?/p>

2.3 電磁閥門(mén)

天然氣屬于易燃?xì)怏w，若閥門(mén)使用的是簡(jiǎn)單的電路控制本身就會(huì)存在非常大的安全隱患，因此在這里我的設(shè)計(jì)采用的是電磁閥門(mén)，電磁閥門(mén)本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性良好使用的是開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制，從而避免了高電流帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)，控制起來(lái)也非常的方便，電磁閥門(mén)的響應(yīng)時(shí)間可以短至幾毫秒，在燃?xì)庑孤r(shí)被檢測(cè)到的瞬間便可關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)。

2.4 繼電器電路控制

繼電器和電磁閥門(mén)、GSM通訊模塊串聯(lián)在電路上，繼電器相當(dāng)于電路的電源以及開(kāi)關(guān)[6]，當(dāng)繼電器收到ZigBee協(xié)調(diào)器[5]的信號(hào)時(shí)會(huì)打開(kāi)開(kāi)關(guān)并且給電路通電，此時(shí)電磁閥門(mén)會(huì)收到電信號(hào)立刻關(guān)閉閥門(mén)，GSM模塊開(kāi)始工作給用戶(hù)手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，這樣設(shè)計(jì)的理念就是做到閥門(mén)關(guān)閉和報(bào)警信息同時(shí)進(jìn)行。具體電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主流程

打開(kāi)系統(tǒng)，ZigBee協(xié)調(diào)器會(huì)進(jìn)行初始化，當(dāng)初始化成功時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。MQ-2氣體傳感器會(huì)一直采集數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)事件，此時(shí)繼電器導(dǎo)通給電磁閥門(mén)一個(gè)電信號(hào)[7]，閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉并且GSM模塊開(kāi)始工作向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警短信。MQ-2氣體傳感器對(duì)應(yīng)的蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，可提示用戶(hù)是哪個(gè)終端檢測(cè)到了燃?xì)?，從而得知是哪個(gè)地方的燃?xì)獍l(fā)生了泄漏。流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee聯(lián)網(wǎng)

ZigBee協(xié)調(diào)器和終端進(jìn)是根據(jù)CC2530芯片GPI0配置基于GenericApp無(wú)線收發(fā)進(jìn)行多終端點(diǎn)播通信，在硬件連接無(wú)誤后使用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將代碼燒至芯片中，然后進(jìn)行開(kāi)機(jī)初始化[8]。當(dāng)終端組網(wǎng)成功后，首先會(huì)調(diào)用已經(jīng)編寫(xiě)好的函數(shù)上傳自己的短地址，接著啟動(dòng)一個(gè)周期采集的定時(shí)器，定時(shí)器超時(shí)，調(diào)用采集無(wú)線發(fā)送函數(shù)。ZigBee終端采集環(huán)境中的氣體，無(wú)線上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接受終端的數(shù)據(jù)并且能夠顯示氣體濃度的大小。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

3.3 MQ-2氣體傳感器工作原理

正確連接MQ-2氣體傳感器和ZigBee終端，VCC：接電源正極（5V）、GND接電源負(fù)極、D0：數(shù)字信號(hào)，接P1_5、A0：模擬信號(hào)輸出，本設(shè)計(jì)接P06口上。接線原理如圖6所示。

因ZigBee協(xié)議棧[1]自帶有ADC采樣的代碼，我們只要把相關(guān)的宏開(kāi)關(guān)打開(kāi)即可。首先我們打開(kāi)對(duì)應(yīng)的工程文件，在對(duì)應(yīng)的目錄下打開(kāi)ADC定義為T(mén)RUE就可以使用ADC了。通過(guò)文件里的方法可以讀出對(duì)應(yīng)IO口上的ADC電壓值。在終端聯(lián)網(wǎng)成功后啟動(dòng)定時(shí)器，終端定時(shí)器超時(shí)啟動(dòng)采樣，對(duì)MQ-2氣體傳感器的AO口輸出的電壓轉(zhuǎn)換成0～100的數(shù)，此時(shí)的數(shù)就是對(duì)應(yīng)的氣體濃度，值越大濃度越高。

3.3.1傳感器的計(jì)算

[Rs=VcVr-1×Ra]

式中Vc為回路電壓，Vr是傳感器輸出電壓即U，Ra是電阻所承受的阻值，根據(jù)上式的計(jì)算就能算出傳感器電阻Rs的阻值大小。

MQ-2氣體傳感器導(dǎo)電率的大小是隨著空間中易燃?xì)怏w的濃度增大而增大，因?yàn)殡娮韬碗妼?dǎo)率是相反的關(guān)系，所以電阻是隨著氣體濃度增大而減小的，其特性和滑動(dòng)變阻器特性差不多。

[U=ReRe+Rs×Vc]

Vc為串聯(lián)電路中所有電壓之和，也就是電源電壓，該電壓是加在氣體傳感器的1引腳和3引腳之間的。U的大小是氣體傳感器4引腳和6引腳的輸出電壓，Rs為傳感器的體電阻。

阻止R與空氣中被檢測(cè)到的氣體濃度C的數(shù)值關(guān)系式

[logR=m×logC+n]（m、n均為常數(shù)）

常數(shù)n：與此時(shí)的氣體檢測(cè)濃度的大小有關(guān)，除了與我們的氣體傳感器材料和氣體本身的性質(zhì)或者特點(diǎn)不同而變化之外，還會(huì)由于當(dāng)時(shí)所處環(huán)境的溫度和催化劑的不同而發(fā)生比較大并且明顯的變化。

常數(shù)m：表示根據(jù)環(huán)境中氣體濃度因而發(fā)生變化的氣體傳感器的靈敏度。對(duì)于易燃性氣體來(lái)說(shuō)，m的數(shù)值大多數(shù)在1/2至1/3之間。

3.4 繼電器控制

使用CC2530芯片GPI0的配置方法控制繼電器模塊。繼電器有一個(gè)5V是接口，是通過(guò)P0_5經(jīng)過(guò)三極管把3V的控制信號(hào)變成5V的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。從圖7可以看出，P0_5為低電平的時(shí)候三極管不同，繼電器的控制腳為高電平（J9的3腳）;當(dāng)P0_5為高電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，繼電器的控制腳為低電平。

繼電器的信號(hào)口連接ZigBee協(xié)調(diào)器，低電平的時(shí)候繼電器中的觸點(diǎn)會(huì)斷開(kāi)，高電平的時(shí)候繼電器中的觸點(diǎn)會(huì)吸合，并且繼電器中觸點(diǎn)的吸合會(huì)有指示燈提醒。通過(guò)這個(gè)原理，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器收到終端的氣體濃度過(guò)高的信號(hào)，協(xié)調(diào)器會(huì)給繼電器一個(gè)高電平使得電磁閥門(mén)關(guān)閉和GSM通信模塊工作。

4 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果

硬件系統(tǒng)搭建完成后，首先檢查電路連接是否安全，各個(gè)模塊及傳感器線路連接是否正確，防止開(kāi)機(jī)就被燒壞。當(dāng)檢查一切無(wú)誤之后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)測(cè)試軟件效果。電源開(kāi)啟后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取ADC，兩個(gè)ZigBee終端會(huì)自動(dòng)連接ZigBee協(xié)調(diào)器并采樣分析，此時(shí)協(xié)調(diào)器上的LCD顯示器上也會(huì)顯示各個(gè)終端上MQ-2氣體傳感器的數(shù)值。這時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行是正常的。這時(shí)我們可以使用打火機(jī)的氣體進(jìn)行模擬燃?xì)庑孤?，我們可以將兩個(gè)ZigBee終端及協(xié)調(diào)器放置在不同的房間從而模擬不同的地方。我們?cè)谌我庖粋€(gè)終端處使用打火機(jī)的氣體湊近氣體傳感器觀察對(duì)應(yīng)的終端蜂鳴報(bào)警器會(huì)不會(huì)發(fā)出聲響，同時(shí)燃?xì)忾y門(mén)是不是快速關(guān)閉，用戶(hù)手機(jī)是不是能收到報(bào)警短信。如果所有的功能都實(shí)現(xiàn)了則證明系統(tǒng)正常。

4.1 測(cè)試結(jié)果

1）能對(duì)天然氣泄漏進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

2）自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)。

3）向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警信息。

4）對(duì)應(yīng)的終端蜂鳴報(bào)警器響應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前的天然氣的使用非常的普遍，該設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有智能燃?xì)獍踩O(jiān)測(cè)系統(tǒng)模式單一、不安全、不可靠，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患的技術(shù)問(wèn)題[3]。目前市場(chǎng)的燃?xì)獍踩b置大多數(shù)只能做到發(fā)出警報(bào)和自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)的效果，而我們采用了多對(duì)一的檢測(cè)，安全性和可靠性更高，并且可以精確到出現(xiàn)問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)，以便其及時(shí)精準(zhǔn)處理。在對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行安裝時(shí)，難免會(huì)遇見(jiàn)一些狹小黑暗的空間，我們可以采用一種照明手套來(lái)應(yīng)付這種環(huán)境，該照明手套在大拇指第一關(guān)節(jié)處和食指第二關(guān)節(jié)處裝有LED燈，能有效提供照明并且不影響手指操作的靈敏性。該設(shè)計(jì)適用場(chǎng)景十分廣泛，例如可應(yīng)用到酒店、別墅、居民社區(qū)、工廠、辦公大樓、商業(yè)中心等等，符合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)家居潮流[9]，極大地改變了我們現(xiàn)有的生活方式，并且對(duì)燃?xì)獍踩珕?wèn)題有非常好的監(jiān)測(cè)效果，有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全效益。

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