煤氣泄漏自動巡檢系統(tǒng)設(shè)計

包志鵬 楊會保

摘 要：設(shè)計了煤氣泄漏巡檢系統(tǒng)，采用STM32作為主要控制單元，以小車為載體，實時采集環(huán)境的煤氣濃度信息，當檢測煤氣泄漏時，啟動聲光報警機制，可實現(xiàn)自動尋跡巡檢以及手動控制巡檢，通過藍牙通訊模塊，在上位機端實現(xiàn)輸入指令使小車是實現(xiàn)定時巡檢設(shè)置功能，及時制止煤氣泄漏事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：煤氣泄漏，STM32，自動尋跡巡檢，藍牙通訊

1 背景

近年來煤氣的普及使用給人們帶來了極大的便利，但是安全性問題也隨之增加。煤氣泄漏所引起的爆炸，中毒和火災(zāi)事故頻頻發(fā)生，這在某種程度上增加了城市以及國家的不安全性和不穩(wěn)定性因素。目前檢測煤氣是否泄漏的傳感器有一個比較很大的局限性，煤氣泄漏到一定的濃度才能檢測的到，并且還被限制了地域，需要安裝在灶臺周圍很小的地域才能檢測到。同時，報警聲不一定能被聽見，其次，若用戶在聽到報警聲一段時間后進入廚房關(guān)閉燃氣，可能會發(fā)生更大的安全事故。并且隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)、城市建設(shè)、社區(qū)居民對燃氣需求量的不斷加大，城市燃氣安全運行日益凸現(xiàn)重要性。煤氣泄漏會使人民的生命財產(chǎn)的遭受巨大損失，因此必須定期巡檢。早期的燃氣管網(wǎng)巡檢，主要是通過人工攜帶檢測儀，巡檢工作量巨大，效率低，而且無法保障巡檢人員工作質(zhì)量。因此，為了減少甚至杜絕此類事件的發(fā)生，急需制作一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動尋跡尋跡及遠程控制巡檢的煤氣檢測報警系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，隨著各領(lǐng)域的需求不斷的增大，生產(chǎn)力也必須隨之變快，且在效率加快的前提下準確性也是最基本的要求。因此單片機和無線藍牙通訊技術(shù)可以有效的解決人工采集方法下的短板問題，并且此技術(shù)簡單易懂為人們所能接受，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測，廣泛地應(yīng)用于煤氣監(jiān)測系統(tǒng)當中。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

分為七部分，分別由STM32單片機控制模塊、煤氣采集模塊、尋跡檢測模塊、藍牙通訊模塊、聲光報警模塊、電機驅(qū)動模塊及電源模塊組成，其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

氣體傳感器采集環(huán)境的煤氣濃度信息，經(jīng)過內(nèi)部集成的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，將其輸入至STM32單片機，控制模塊對傳感器采集的信號進行分析，驅(qū)動藍牙通訊模塊將采集的環(huán)境煤氣濃度信息傳輸至上位機。從而實現(xiàn)在上位機上實時監(jiān)測環(huán)境的煤氣濃度數(shù)值功能。紅外光電傳感器用于檢測尋跡軌道，單片機驅(qū)動電機的左右輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)自動尋跡巡檢功能。當采集到的煤氣濃度超出設(shè)定的報警閾值時，單片機驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，LED燈亮起，實現(xiàn)聲光報警功能。用戶通過上位機輸入巡檢間隔時間控制信號，通過藍牙傳輸至單片機，單片機接收控制信號，驅(qū)動電機工作，從而實現(xiàn)遠程定時巡檢功能。

2.1.1單片機控制模塊

STM32是增強型的STM系列單片機，芯片主要實現(xiàn)邏輯運算以及燒寫可編程程序后執(zhí)行相應(yīng)的操作。芯片數(shù)據(jù)支持重復(fù)擦寫，擦寫次數(shù)可達數(shù)千次。整個單片機系統(tǒng)與外部模塊的通信方式為串口信號通信，能夠兼容市面上絕大多數(shù)功能模塊的通信類別。本設(shè)計采用的是STM32F103C8T6單片機芯片作為主控芯片。

2.1.2煤氣采集模塊

煤氣的主要成分是CO，CO傳感器的研究和應(yīng)用方面達到了很高水平，形成了多系列多品種的產(chǎn)品。相比之下我國的研究和應(yīng)用比較滯后，特別在產(chǎn)品開發(fā)上亟待加強。CO 傳感器的選擇。市面上主流的有MQ系列的2，5，7，9，m2cs4524。本設(shè)計中，對于煤氣濃度的采集選用氣體傳感器MQ-2模塊。MQ-2傳感器廣泛用于于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置，使用簡單案例豐富。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫組成的氣敏材料，當空氣中檢測氣體濃度的增加時，傳感器的電導率會隨之增大，模塊加上電壓通過比較器等電路即可實現(xiàn)將材料電導率的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化。MQ-2將采集的煤氣濃度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號的變化，輸出至AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號至單片機，單片機控制模塊通過分析，可以換算得出空氣中的煤氣濃度數(shù)值。

2.1.3尋跡檢測模塊

藍牙通訊模塊選擇使用HC06模塊，每一對設(shè)備之間進行藍牙通訊時，必須一個為主角色，另一為從角色，才能進行通信，通信時，必須由主端進行查找，發(fā)起配對，建鏈成功后，雙方可收發(fā)數(shù)據(jù)。當上位機發(fā)送數(shù)據(jù)是，上位機通過TTL電路與此時主端藍牙連接向與單片機連接的從端藍牙通訊，當上位機接受數(shù)據(jù)，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時則相反。實現(xiàn)單片機控制模塊與上位機之間的數(shù)據(jù)通信功能，單片機將采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機，同時單片機接收上位機輸入的控制信號，實現(xiàn)雙向通信功能。HC06作為藍牙作為無線通信模塊應(yīng)用非常廣泛，不僅可以進行數(shù)據(jù)傳輸，而且能夠進行數(shù)據(jù)共享，還允許用戶自己修改ROM，具有功耗較低，成本較低，但性能較好，因此在無線數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

2.1.4電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動控制器選用L298，該芯片驅(qū)動能力強，性能穩(wěn)定，廣泛地應(yīng)用于各類電機控制系統(tǒng)，該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高壓平時有效，當ENA為低電平，電機停止轉(zhuǎn)動;當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“00”狀態(tài)時，電機為制動狀態(tài);當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“01”狀態(tài)時，電機為正轉(zhuǎn)狀態(tài);當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“10”狀態(tài)時，電機為反轉(zhuǎn)狀態(tài);當ENA為高電平，IN1和IN2輸入“11”狀態(tài)時，電機為制動狀態(tài)。如表一所示：

2.2軟件設(shè)計

總體軟件流程是由整體架構(gòu)按照主程序加模塊化的子程序設(shè)計思路來組成。明確軟件程序所要需要調(diào)用的資源及所預(yù)期的處理結(jié)果，通信方式采用全雙工的異步藍牙通訊模式，由上位機進行定時巡檢的時間設(shè)定，再有藍牙模塊進行發(fā)送和接受到單片機上，進行循跡時通過檢測黑線來判斷路徑，同時氣體檢測模塊檢測氣體含量并反饋，當超過一定值時進行聲光報警。

2.2.1系統(tǒng)主程序流程圖

首先給STM32單片機控制板通電后，主程序最先需要進行系統(tǒng)初始化，包含傳感器配置、GPIO端口定義以及串口初始化，保證單片機與上位機端能夠進行正常通信。完成初始工作后，循環(huán)采集傳感器的檢測數(shù)據(jù)，讀取紅外傳感器檢測數(shù)據(jù)、及經(jīng)氣體傳感器及A/D轉(zhuǎn)換之后傳輸?shù)拿簹鉂舛葦?shù)據(jù)，接著程序通過藍牙通信模塊，將煤氣濃度信息上傳至上位機平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)測功能。然后調(diào)用循跡檢測函數(shù)，判斷是否檢測到黑線，若是，則主程序調(diào)用循跡算法程序，然后調(diào)用電機驅(qū)動程序，單片機輸出PWM波控制左右電機工作，實現(xiàn)在循跡任務(wù)。然后程序進入判斷函數(shù)，判斷環(huán)境中煤氣濃度是否達到設(shè)定的報警閾值，MQ-2傳感器數(shù)字口輸出低電平使得聲光報警下降沿低電平觸發(fā)蜂鳴器鳴叫，LED燈亮起，實現(xiàn)聲光報警功能。同時觸發(fā)中斷上傳當前位置信息，然后程序進入判斷函數(shù)，判斷上位機指令是否發(fā)出，若是，則通過無線通訊模塊傳輸控制指令，單片機完成定時巡檢功能。然后主程序跳出判斷函數(shù)，循環(huán)至傳感器采集程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

2.2.2藍牙通訊程序設(shè)計

藍牙通訊模塊選擇使用HC06模塊，實現(xiàn)單片機控制模塊與上位機之間的數(shù)據(jù)通信功能，單片機將采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。同時單片機接收經(jīng)過藍牙通訊模塊上位機輸入的控制信號，實現(xiàn)雙向通信功能。初始化完成后程序進入待機狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，中斷函數(shù)內(nèi)，傳感器采集的數(shù)據(jù)，由單片機處理后有藍牙通訊模塊上傳至上位機，并在上位機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。流程圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)測試

首先保證協(xié)調(diào)器最小系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，后對各個獨立的子功能模塊進行性能測試，是否按照預(yù)期的功能實現(xiàn)，若某個模塊不可用，可單獨對該模塊的電源輸入、信號傳輸?shù)确矫孢M行逐項排查，最終目的實現(xiàn)整個硬件系統(tǒng)的基本功能完好。調(diào)試上電前有一個很重要的細節(jié)就是要對電壓點的對地阻抗進行測量，若出現(xiàn)阻抗為零，則表明電源有短路狀況務(wù)必解決此不良后方可上電。子功能模塊的通信信號收發(fā)也同樣是調(diào)試的關(guān)鍵，可通過加入串口收發(fā)工具接到PC端上對其進行監(jiān)控，便于判斷具體信號傳輸異常出現(xiàn)的步驟。在確保電路板沒有焊接錯誤的情況下，接通電源。把完整的電路按照功能劃分為小模塊并分別對它們進行調(diào)試，只有每個功能的模塊都能完整運行后，才能確保后面的整機聯(lián)調(diào)可以順利的進行。

單片機通過藍牙將采集的煤氣濃度數(shù)據(jù)傳輸至上位機端，并且當氣體濃度達到設(shè)定值之后，打開上位機進行串口連接設(shè)置，完成后，可觀察到煤氣濃度數(shù)據(jù)和位置信息，上位機界面圖如下圖4所示。

4、結(jié)論

通過對系統(tǒng)的軟件設(shè)計和調(diào)試，說明設(shè)計的可行，達到了設(shè)計要求。

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作者簡介：

包志鵬（1997—），男，浙江麗水人，學生，電氣工程及其自動化專業(yè);楊會保（1974-）通訊作者，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

基金項目：2019年國家級大學生創(chuàng)新業(yè)訓練計劃項目（項目編號：1913001022）