基于STM32智能家居的燃氣檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王　東,莫　先

(重慶理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,重慶　400054)

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基于STM32智能家居的燃氣檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王東,莫先

(重慶理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400054)

摘要：針對廚房中燃氣管道接口、燃氣灶、燃氣熱水器等可能出現(xiàn)的燃氣泄露問題，設(shè)計并實現(xiàn)了基于低功耗系列單片機——STM32L系列的燃氣泄露和溫度檢測系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計，通過實驗對系統(tǒng)進行測試，實現(xiàn)了燃氣濃度和溫度的實時、連續(xù)、可靠的檢測，測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)的實用性和有效性。

關(guān)鍵詞：STM32；燃氣檢測；溫度檢測；智能家居

隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，液化氣和天然氣逐漸成為我國居民的主要燃料。燃氣在為人們提供經(jīng)濟、快捷、生態(tài)生活的同時，也會由于使用不當(dāng)導(dǎo)致燃氣泄漏，因此引發(fā)的事故會嚴(yán)重損害人們的生命財產(chǎn)安全。液化氣的主要成份是CO，如果發(fā)生泄漏，當(dāng)屋內(nèi)的CO濃度高于0.06%時，人的身體會出現(xiàn)頭痛、頭暈、嘔吐、惡心、四肢乏力等癥狀；當(dāng)CO濃度超過0.1%時，持續(xù)吸入半小時，人會昏睡，進而昏迷；達到0.4%時，持續(xù)吸入1 h就可導(dǎo)致死亡，可見當(dāng)燃氣泄露時及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理極為重要。天然氣主要由甲烷組成，不同于CO，天然氣無毒、無害。但如果發(fā)生天然氣泄漏，當(dāng)室內(nèi)天然氣的濃度較高時，室內(nèi)的O2濃度不能保證正常的O2呼入，也會致人死亡。無論何種燃氣，將它們用做燃料時，當(dāng)其泄露在空氣中超過一定濃度，就會發(fā)生爆炸，造成巨大的生命財產(chǎn)損失[1]。

基于低功耗單片機STM32L系列的室內(nèi)燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)能實時掌握室內(nèi)溫度和燃氣濃度的變化，當(dāng)在室內(nèi)檢測到可燃氣體時會自動報警，提醒人們發(fā)生室內(nèi)燃氣泄漏，方便人們及時進行處理，為家庭安全提供保障[2]。

1系統(tǒng)總體介紹

本系統(tǒng)主要由MQ-4燃氣檢測傳感器、DS18B20溫度檢測傳感器、LCD顯示屏、STM32L151單片機、電源模塊和報警裝置組成。

1.1MCU 介紹

采用ST低功耗L系列單片機—STM32L151作為系統(tǒng)的主控芯片。

STM32L處理器的工作模式劃分為6種，使其在任何設(shè)定時間內(nèi)都能以最低的功耗完成任務(wù)。具體模式如下：

1) 10.4 μA低功耗運行模式：32 kHz運行頻率；

2) 6.1 μA低功耗睡眠模式：1個計時器工作；

3) 1.3 μA 停機模式：實時時鐘(RTC)運行，保存上下文，保留RAM內(nèi)容；

4) 0.5 μA 停機模式：無實時時鐘運行，保存上下文，保留RAM內(nèi)容；

5) 1.0 μA待機模式：實時時鐘運行，保存后備寄存器；

6) 270 nA待機模式：無實時時鐘運行，保存后備寄存器

STM32L根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)實現(xiàn)6種模式的切換，保證了功耗性。

1.2MQ-4天然氣、甲烷傳感器模塊介紹

MQ-4氣體傳感器使用的氣敏材料是在空氣中電導(dǎo)率較低的 SnO2。當(dāng)MQ-4所在的環(huán)境中有可燃氣體存在時，MQ-4的電導(dǎo)率將會隨周圍可燃氣體濃度的增加而增大。使用較簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的模擬信號輸出。 MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度較高，對丙烷、丁烷也有較好的敏感度。MQ-4可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[4]。

MQ-4適用于家庭或工廠的甲烷氣體、天然氣氣體等的檢測，可測試天然氣、甲烷的濃度范圍為(300 ～10 000)×10-6。

圖1　MQ-4模塊

1.3DS18B20溫度傳感器介紹

溫度檢測時一般選用熱敏電阻作為傳感器，可檢測溫度范圍為40～90 ℃。熱敏電阻同其他檢測方法相比其穩(wěn)定性不高，準(zhǔn)確度較低，對于1 ℃ 以下的溫度檢測適用性不大，它必須經(jīng)過傳感器內(nèi)部專門的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由MCU進行讀取[6]。

目前，通常使用的MCU與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信的串行總線方式主要有spi總線、i2c總線等。i2c以串行方式通過1條數(shù)據(jù)線和1條時鐘線與外部設(shè)備進行通信，SPI則以串行方式通過1條數(shù)據(jù)發(fā)送線、1條數(shù)據(jù)接收線、1條時鐘線的三線方式與外部設(shè)備進行通信。DS18B20使用1條總線的方式與外部設(shè)備進行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都在一條總線上面進行。 MCU只需要1個IO口就可以和掛在上面的許多外部設(shè)備進行通信，從而簡化邏輯電路和減少IO口的使用。這種單總線通信方式與其他通信方式相比具有極大的優(yōu)勢[7]。單總線通信方式只使用一根總線實現(xiàn)MCU與外部設(shè)備的通信，數(shù)據(jù)和控制信號傳輸?shù)榷纪ㄟ^這根總線分時完成[8-9]。MCU或從機通過1個三態(tài)端口或漏極開路接到該總線。當(dāng)設(shè)備不發(fā)送數(shù)據(jù)時，釋放總線，把總線分配給其他外部設(shè)備使用。由于IO口驅(qū)動能力有限，因此要在單總線上接1個外部上拉電阻，當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時為高。

DS18B20數(shù)字信號輸出溫度檢測傳感器與傳統(tǒng)溫度傳感器的不同之處在于使用單總線與MCU通信，采用直接數(shù)字輸出，轉(zhuǎn)換速度快，可擴展性強。

1.4系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括前端2個MQ-4和2個DS18B20溫度傳感器，可分別采集廚房和燃氣熱水器氣管處的燃氣濃度和溫度。MQ-4有AO和DO輸出，DO直接輸出至蜂鳴器進行報警，AO輸出至STM32L151 PA0 ADC口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，結(jié)果通過LCD和串口顯示。DS18B20使用PA1口進行單總線數(shù)據(jù)傳輸，溫度結(jié)果通過LCD和串口打印顯示。當(dāng)用戶需要溫度和濃度數(shù)據(jù)時，可以發(fā)送一條指令給GSM系統(tǒng)，系統(tǒng)收到指令時，會把溫度信息和燃氣濃度信息發(fā)送到手機。當(dāng)燃氣濃度高于一定值時，系統(tǒng)也會主動發(fā)送數(shù)據(jù)信息到手機。整個系統(tǒng)采用聚合物鋰電池供電，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1燃氣檢測硬件設(shè)計

圖3為MQ-4的基本電路。MQ-4傳感器施加了2個電壓：加熱電壓(VH)和測試傳感器電壓(VC)。其中，VH電壓用于加熱傳感器，為其提供工作所需的溫度,可采用AC或者DC。 VRL是傳感器串聯(lián)的負載電阻(RL)上的電壓。VC是為負載電阻RL提供測試的電壓，須采用DC。

圖2　系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3　 MQ-4基本電路

圖4為MQ-4接口，由上到下分別有4個接口。前面2個分別為電源正、負級接口；第3個為D0輸出接口。當(dāng)檢測到有燃氣泄露時，輸出低電平，否則輸出高電平，此接口直接接蜂鳴器，當(dāng)有燃氣泄露時可以進行報警；最后一個接口為AO輸出接口，相對無污染狀態(tài)下輸出0.1～0.3 V，最高濃度電壓為4 V左右，因此接MCU的ADC接口直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到燃氣濃度的精確值。

圖4　MQ-4接口

2.2溫度檢測硬件設(shè)計

溫度傳感器復(fù)位及應(yīng)答時序流程：溫度傳感器在進行復(fù)位和應(yīng)答時，首先是MCU釋放總線；然后將總線拉為低電平，延時480 μs后，把總線拉為高電平；等待15～60 μs，溫度傳感器將返回MCU一個低電平信號，該信號即存在信號，MCU檢測到存在信號后，釋放總線；最后，MCU與溫度傳感器達成通信協(xié)議以進行通信。DS18B20復(fù)位及應(yīng)答示意圖如圖5。

圖5　DS18B20 復(fù)位及應(yīng)答示意圖

寫數(shù)據(jù)時，MCU首先將總線拉低，之后芯片會對總線上的數(shù)據(jù)進行采樣。具體操作方法為：MCU先將總線拉為低電平保持15 μs，如果寫0，延時至少45 μs，之后再將其拉高；如果寫1，先將其拉高，延時至少45 μs。DS18B20寫時間隙見圖6。

圖6　DS18B20 寫時間隙

讀數(shù)據(jù)時， MCU首先釋放總線，然后把總線拉為低電平，延時保持1 μs以上，該信號表示即將開始讀，然后釋放總線，溫度傳感器發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位給總線，MCU會在15 μs內(nèi)讀完總線上的數(shù)據(jù)，讀完后不解除對總線的控制權(quán)，保持45 μs的延時以保證數(shù)據(jù)讀取所需時間。DS18B20讀時間隙見圖7。

MCU與溫度傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸主要依靠MCU 根據(jù)單總線協(xié)議在一條總線上面產(chǎn)生各種時序?qū)崿F(xiàn)。

圖7　DS18B20讀時間隙

2.3LCD硬件設(shè)計

LCD采用四線SPI協(xié)議與MCU進行通信。 SPI 接口一般由4根數(shù)據(jù)線組成，包括CS片選信號線，SCLK時鐘信號線，MISO主機輸入、從機輸出數(shù)據(jù)線和MOSI主機輸出、從機輸入數(shù)據(jù)線。其中，CS為使能信號，只有當(dāng)使能信號為低時，該設(shè)備才被選中。選中后，MOSI和MISO可進行數(shù)據(jù)傳輸[10]。

讀操作為：在前8個時鐘主機發(fā)送地址給從機，后8個時鐘從機接收到地址后返回數(shù)據(jù)給主機。當(dāng)主機發(fā)送地址給從機時，會在地址的最高位加0以表示讀，其余后7位為從機內(nèi)部寄存器地址，從機接收到高位讀標(biāo)志和后面的7位寄存器地址后，會在后面返回寄存器的值給主機，完成1次讀操作。讀操作時序圖見圖8。

寫操作同樣由16個時鐘組成，前8個時鐘主機發(fā)送8位將要寫的地址到從機，后8個時鐘主機發(fā)送8位要寫入的數(shù)據(jù)。當(dāng)寫操作開始時，首位表示寫標(biāo)志位，SPI協(xié)議寫操作規(guī)定首位為1，因此，在寫操作時，8位數(shù)據(jù)由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成。當(dāng)從機接收到由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成的數(shù)據(jù)后，從機等待第2次發(fā)送的數(shù)據(jù)，將第2次發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入剛剛的地址寄存器，完成1次寫操作。寫操作時序圖見圖9。

圖8　讀操作時序圖

圖9　寫操作時序圖

LCD液晶顯示屏主要用于室內(nèi)燃氣濃度高時的實時顯示和溫度的實時顯示。圖10為LCD詳細電路。

圖10　LCD詳細電路

2.4電源管理

系統(tǒng)采用鋰電池供電。充電器輸出5 V電壓直接提供管理鋰電池的充電芯片，使用管理芯片實現(xiàn)對鋰電池的充電管理。鋰電池充電電壓為5 V，容量為500 mAh。由于鋰電池在放電過程中輸出電壓會下降，而系統(tǒng)工作在3.3V，因此需要增加1個穩(wěn)壓器以保證系統(tǒng)正常工作。穩(wěn)壓芯片的輸出電壓穩(wěn)定在3.3 V，可以輸出500 mA的電流，壓差最低可達70 mV，外圍電路簡單，滿足電源要求。電源管理電路見圖11。

圖11　電源管理電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1燃氣檢測軟件設(shè)計

由于MQ-4會根據(jù)檢測氣體濃度狀態(tài)的不同直接輸出模擬信號，輸出的信號實時更新，因此燃氣檢測采用ADC和DMA方式進行傳送。ADC能把模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于存儲器存儲和傳送。軟件設(shè)計流程如下：首先初始化ADC和DMA，使ADC工作于DMA方式，進行數(shù)據(jù)傳輸；ADC獲得總線上的電壓值后，自動將電壓轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號，此時DMA把ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到內(nèi)存，期間無需CPU干預(yù)，可節(jié)約CPU資源；將內(nèi)存的值除以4 096后再乘以4獲得當(dāng)前電壓值(ADC為12，所以除以4 096，濃度最高時電壓為4 V，所以乘以4)，將電壓值乘25獲得濃度(傳感器特性是電壓線性變化)，最后送顯示。按照該流程循環(huán)得到實時燃氣濃度值，如圖12所示。

3.2溫度檢測軟件設(shè)計

首先，MCU發(fā)送指令初始化DS18B20，讓通信雙方達成基本通信協(xié)議。由于總線上只掛了一個DS18B20溫度傳感器，因此直接跳過ROM發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令0x44h，DS18B20接收指令后準(zhǔn)備好溫度數(shù)據(jù)，在讀溫度前至少等待750 μs，之后重新初始化讀取存儲器中已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過計算獲得準(zhǔn)確溫度值，最后將計算出來的溫度值傳送到串口和LCD上面顯示以方便測試。由于溫度在短時間內(nèi)不會有大的變化，因此采用定時器中斷方式執(zhí)行中斷程序。程序設(shè)計每2 s中斷1次讀取溫度傳感器，即每2 s執(zhí)行1次溫度獲取流程(見圖13)。

圖13　溫度獲取流程

4系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1系統(tǒng)測試軟件設(shè)計

采用定時器中斷方式獲取溫度值，每2 s獲取1次。在這2 s內(nèi)，CPU可執(zhí)行其他程序以節(jié)約CPU資源，也可實時獲得最新溫度值滿足實際需要。燃氣傳感器500 ms中斷1次獲得當(dāng)前濃度信息，并將所有信息傳送到LCD和串口進行顯示。系統(tǒng)測試流程見圖14。

圖14　系統(tǒng)測試流程

4.2系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果

4.2.1系統(tǒng)實現(xiàn)實物圖

為了測試系統(tǒng)性能，本文分別給出了燃氣泄露前后的實驗數(shù)據(jù)，并使用普通打火機進行測試，系統(tǒng)實物如圖15所示。

圖15　系統(tǒng)實物

在無燃氣泄露情況下，可以看到LCD和串口溫度顯示都是26℃，即當(dāng)前室溫，測試結(jié)果正確。MQ-4在沒有檢測到燃氣的時候，AO口也會輸出0.1～0.6 V電壓，故濃度顯示在15%左右，測試結(jié)果正確。

圖16　無燃氣前LCD數(shù)據(jù)

圖17　無燃氣前串口數(shù)據(jù)

圖18　施加燃氣

在有燃氣泄露的情況下，溫度顯示為26 ℃，室內(nèi)溫度沒有變化，溫度顯示正確。燃氣濃度由99.98%變?yōu)?4.54%，原因是：當(dāng)燃氣接近傳感器時，濃度達到最大，故此時燃氣濃度顯示99.98%，一旦燃氣泄露中止，空氣中的燃氣濃度將慢慢降下來，因為空氣會稀釋燃氣濃度，因此燃氣濃度顯示結(jié)果為24.54%，如串口和LCD顯示。

圖19　施加燃氣后LCD數(shù)據(jù)

圖20　施加燃氣后串口數(shù)據(jù)

4.2.2系統(tǒng)測試分析

實驗室室內(nèi)溫度為20 ℃左右。經(jīng)過100次測試，顯示平均溫度為19.9 ℃，方差為0.3，證明溫度系統(tǒng)具有穩(wěn)定性(見圖21)。

圖21　溫度測試數(shù)據(jù)

圖22是施加燃氣前后的100次數(shù)據(jù)。由于每次施加燃氣時都存在之前余留的一定濃度的燃氣，因此實際濃度有所上升。統(tǒng)計結(jié)果顯示：施加燃氣前平均濃度為13.4%，方差為0.005；施加燃氣后平均濃度為60.8%，方差為0.15，測試數(shù)據(jù)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖22　燃氣濃度測試數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

本文從測量準(zhǔn)確性、功耗、家庭實用性等角度出發(fā)實現(xiàn)了燃氣濃度和溫度檢測系統(tǒng)。所選用芯片和模塊符合低功耗的原則，具有體積小、可靠性高、性價比高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，可用于家庭燃氣濃度和溫度的實時、連續(xù)檢測，具有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]孫立云.室內(nèi)溫濕度及燃氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(1):15-17.

[2]梁磊.基于GIS的城市燃氣管網(wǎng)信息管理預(yù)警系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[3]XIONGLI GU,PENG LIU,MEI YANG,et al.An efficient scheduler of RTOS for multi/many-core system[J].Computers and Electrical Engineering,2012,38(3):785-800.

[4]曲豪,史梁.基于GSM短消息的燃氣檢漏報警器設(shè)計與實現(xiàn)[J].河南廣播電視大學(xué)學(xué)報,2012(3):106-107.

[5]錢游，王飛.基于HT46RU232單片機的沼氣實時監(jiān)測預(yù)防報警裝置[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2012(16)：42-44.

[6]邊曉欣.溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的工作原理及意義[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2011(13)：115.

[7]張揚清.基于雙機通信的電壓和溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技風(fēng),2013(23):104-105.

[8]盧貺.智能家居無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].襄樊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2012(6):15-18.

[9]ZHEN YA LIU.Hardware Design of Smart Home System based on zigBee Wireless Sensor Network[J].AASRI Procedia,2014(8):75-81.

[10]吳智龍,李偉彤.基于事件驅(qū)動方式的高速串口通信方案的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2014(5):14-16.

(責(zé)任編輯楊黎麗)

Design and Implementation Smart Home of Gas Detection System Based on STM32

WANG Dong, MO Xian

(College of Computer Science and Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In the family kitchen, gas pipeline interface, kitchen burning gas, gas water heater may have gas leak problems. The detection gas leakage and temperature detection system was designed and implemented based on low power consumption MCU-STM32L series. The overall design, system hardware design, system software design of the system were introduced in detail, and the system realized the real-time, continuous and reliable detection of the gas concentration and temperature. The test result verifies the practicability and effectiveness of the system.

Key words:STM32; gas detection; temperature detection; smart home

文章編號：1674-8425(2016)04-0108-08

中圖分類號：TP393

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.019

作者簡介：王東(1969—)，男，江蘇人，副教授,主要從事嵌入式技術(shù)研究； 莫先(1990—)，男，四川南充人，碩士研究生，主要從事嵌入式技術(shù)研究。

基金項目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目 (KJ1400907); 重慶市自然科學(xué)基金計劃資助項目(cstc2011jjA40026)

收稿日期：2015-12-10

引用格式：王東,莫先.基于STM32智能家居的燃氣檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(4):108-115.

Citation format：WANG Dong, MO Xian.Design and Implementation Smart Home of Gas Detection System Based on STM32 [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):108-115.