智能家用燃气无线报警系统设计

张敏丽 郭红壮 于源华

摘 要：针对家用燃气室内应用环境，对无线报警系统进行了研究，提出一种智能化、成本低的适用家庭的无线报警器。硬件主要由STM32F103单片机、NRF24L01无线通信模块、DS18B20温度传感器、MQ-2可燃气体烟雾检测传感器、SR505人体红外感应传感器以及LCD1602显示屏组成。系统采用无线通信方式，显示屏实时显示室内温湿度，通过人体红外感应检测感应点亮屏幕。通过对室内温度、家用燃气的浓度、烟雾的浓度等对家用燃气设备进行有效实时监控，并在发现问题后第一时间通过GSM移动网以短信方式通知户主，同时发出控制信号启动排风扇等相关措施，并发出相关警报信息[1]。通过实验得出，该系统成本低、安装简单、使用方便，扩展性强等，可以应用在智能家具控制系统。

关键词：温度传感器;烟雾传感器;无线通信;GSM移动通信

1 智能燃气报警系统总体方案

系统整体框图有一个主模块和子模块组成。主要有可燃气体烟雾检测传感器、人体红外感应传感器、温度传感器、主控芯片、LCD显示模块、声光报警模块、GSM模块以及控制模块等组成。结构框图如图1所示：

本設计一共采用两个STM32单片机，主模块的单片机用来检测处理温度传感器DS18B20的信号，将处理后的信号经过无线模块发射到子模块，单片机通过NRF24L01接收信号，传递给单片机处理信号，然后显示在LCD1602上。监测子模块单片机处理接收到的数据，和设置的温度、燃气范围浓度对比，如果超出温度范围则通过GSM模块对用户进行远程短信报警，并开启排风装置，其中需要监测子模块地址和报警目标用户手机号码可以通过键盘设置，并且保存在EEPORM里面不丢失[2]。

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控芯片采用STM32单片机，设计中单片机的最小系统，包含复位电路、晶振电路，单片机所提供的接口均可对外拓展。原理图设计中NRF24L01无线芯片、温度传感器、蜂鸣器、LED报警、电源电路、均采用网络标号，使页面更加简洁。系统中所有元器件的供电均使用单片机自身所带供电口供电。

2.2 无线通信模块

在本次设计中，通过多个无线模块比较，综合各个因素比如成本、传输距离、可穿墙性、操作方便性、选择了采用NRF24L01是8引脚无线模块，通过编程设置，两个无线模块一个作为发射端，一个作为接收端对测量的温度实时发送对接。NRF24L01此芯片可以实现1个对1个无线芯片或是1个对多个芯片进行无线通讯，无线通信速率最高的时候可以达到2M。本次设计采用的是一对一的形式，只有一个接收端和一个发射端，要想实现两个芯片的无线对接，需要运用单片机变成对其控制。

2.3 DS18B20温度传感器

设计所采用的温度传感器DS18B20是唯一通过无线芯片传输，在无线报警的发射端，接收端在接到数据后在接收端的单片机进行数据处理[3]。在家用燃气无限报警设计中，采用DS18B20传感器，对燃气炉的温度监测，把监测数据发送给单片机。因为燃气炉温度过高，DS18B20只有小段不锈钢，后面为胶皮，为了防止胶皮软化还有不超过DS18B20温度监测的最高温度，采用让传感器距离明火稍远的距离。

2.4 MQ-2烟雾气敏传感器模块

在发射端本次设计采用的MQ-2烟雾气敏传感器，根据查阅资料MQ-2烟雾气敏传感器具有很多特性，传感器有一个D0输出口，可以输出高低电平。TTL根据检测到气体浓度，输出不同的电压，电压范围为0V～5V。另外MQ-2传感器具有响应速度快，操作简单的优点。本次设计在无线模块发射端单片机I/O口，加入MQ-2烟雾气敏传感器模块，把MQ-2模块直接连接在发射端单片机上当浓度高于设定值时，单片机发射端的蜂鸣器直接发出报警。

2.5 HC-SR505人体感应模块

HC-SR505小型人体感应模块是一个集成模块，次模块灵敏度相对较高，广泛应用于各种自动控制电路中。本产品为全自动感应，感应延时可调，默认8秒延时，当检测到有人进入到感应区后，感应模块输出高电平3.3V，当检测到人离开超过8秒以后就会输出低电平。本模块对工作电压要求不高，可以在4.5V～20V，正常工作，输出电流很小最大不超过60uA，模块输出的高电平，即3.3V可以直接与各类电路对接，方便使用。

2.6 GSM短信收发电路

本设计短消息发送模块采用TC35i模块，TC35i西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，电源范围为直流3.3～4.8V，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线[4]。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，LPC2138通过I/O端口控制TC35的开关机、复位等，进行数据通信，通信速率为9600Kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位[5]。

3 软件设计

根据无线报警器系统设计要求以及内部程序运行流程，制定了以下系统的总工作流程，如图所示：（NRF24L01无线模块;STM32为处理器;DS18B20传感器为传感器1;MQ-2传感器为传感器2;HC-SR505为传感器3;LCD1602为显示屏）。总程序流程图如图2所示：

4 总结

本次设计共采用两个STM32F103单片机和三个传感器，组成了一个智能家用无线燃气报警装置。监测环境温度和燃气浓度通过传感器发送至单片机，处理分析后与设定的值进行对比，超出设置范围发出警报及控制信号打开排气扇，并发送短信给用户;显示屏能够实时显示、检测环境温度变化，根据人体红外感应传感器检测控制屏显时间，用作日常检查，有效降低燃气泄漏的风险。实际测试结果显示，该装置稳定运行，测量误差小，操作简单，可用于智能家居的设计使用。

参考文献：

[1]赵延明，文家厚，曾琼斌，黄垚，陈建勋.家用燃气泄漏智能报警系统研究[J].化工自动化及仪表，2014，41（02）：222-225+228.

[2]陈英，肖利军，刘蒙瑞.智能家庭煤气中毒及火灾报警系统设计[J].无线互联科技，2018，15（15）：68-69.

[3]覃鲜艳.基于DS18B20的无线测温系统的研究与设计[D].武汉理工大学，2012.

[4]朱兰，任志伟.一种基于LPC2138的智能家用燃气报警系统设计[J].电子技术与软件工程，2014（23）：150-151.

[5]刘昌珍.基于GSM的远程家庭监控及报警系统的设计[J].安防科技，2008（08）：22-25.

*通讯作者：于源华。