基于STM32的燃气智能应急处理装置设计*

曾富强，李 宁，石庆烛，钟鑫洋，刘国权

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌 330013）

0 引言

目前市场上涌现出众多与燃气监测相关的产品，然而，大多数存在功能单一、无法实时监控以及警报范围有限等问题。鉴于此，许多学者开展了相关研究工作[1-4]。文献[5]设计了一款智能家用燃气报警装置，但该装置只能实现基本的燃气泄漏检测及报警功能。文献[6]在文献[5]的基础上加入了显示模块和红外通信模块，可以显示出燃气的各类数据并实施通信，但不足之处在于该系统是手持式而且红外通信受距离限制，存在局限性。文献[7]设计了一款智能庭院燃气管道泄漏报警切断(限流)装置，功能强大，应急措施完善，但是结构复杂，使用难度较大且成本较高。文献[8]加装了排气和断阀的功能，却不能进行数据分析上传。文献[9]提出，智能检漏保护系统具备多种机制实施的能力，能够协同多个机构，显著提高燃气进户的安全系数。文献[10]提出一种新颖的家用远程燃气关闭装置。文献[11]则侧重于硬件和电路的设计。文献[12]将燃气表与报警器结合在一起，具有一定的新颖性。文献[13-14]设计了面向家用的可燃报警（器）系统。文献[15]设计了一款基于STC89C52 家用燃气的检测装置，具有自动检测和远程通知功能。

综上所述，当前市场上的大多数燃气报警装置仍然采用传统机械设计，缺乏实时数据传输、远程控制和远程报警功能，存在显著的局限性。本文提出一款基于STM 32 的智能燃气报警装置，除了具备传统燃气报警器的功能外，该装置还能自动处理数据并上传云端，将各类数据发往用户手机，真正做到实时检测的效果。该装置通过多种传感器实时监测燃气、温度等数据，这些传感器将采集的信息传输至控制系统。控制系统根据所收集的数据判断厨房是否发生火灾或燃气泄漏，并通过无线网络将数据即时传送至云端，提醒用户采取相应的行动。

1 总体框架设计

本文系统的核心芯片采用STM32F405，配备了LED红灯和蜂鸣器，以满足装置的报警功能要求。温湿度传感器SHT30 用于采集环境温湿度信息，而燃气检测传感器MP5 则用于监测煤气和天然气的浓度。LCD 显示屏用于显示各类数据，通过ESP8266 上传至ONENET 平台，然后由SIM800C 发送信息给用户。这款装置的亮点在于它能够实时地向用户传递危险信息，使用户能够在第一时间了解情况并采取必要的措施，从而降低事故的发生风险。本装置结构如图1所示。

如图1所示，STM32片内资源丰富，处理速度快，可拓展性强，不仅可以减小装置系统的能耗，也提高了系统的实用性和二次开发的可能，利用软件编程可节约大量的资源和实现系统装置多功能。图2所示为装置工作的模拟情景。

图1 装置系统结构

图2 装置工作模拟情景

2 硬件电路设计

本设计的主控芯片采用STM32F405，电源模块通过TPS54331DDAR 和AMS1117 将12 V 电压转换为5 V，然后稳定至3.3 V 以供电。检测模块使用温湿度传感器模块，通过IIC 协议与主控制器进行通信，同时MQ5 气体传感器通过ADC 采集模拟信号。LCD 显示屏用于向用户呈现设定的数据，同时ESP8266 用于将数据上传至云端并进行存储。当气体传感器信号超过设定的阈值时，单片机将控制有源蜂鸣器进行报警并关闭阀门。此外，用户可以通过App 或云端随时实时查看现场情况，提供了便捷的监控和互动方式。

（1）主控电路

采用STM32F405 芯片，用于数据处理、手机短信的通信和外围电路的控制。

（2）显示电路

采用LCD 液晶显示屏用于温度的实时显示。该显示屏为128 像素×128 像素，采用SPI 接口，每个像素可以由点脉冲直接控制，每个节点相对独立且可以连续控制，这不仅提高了显示屏的反映速度，还可以准确控制。

（3）温湿度采集电路

采用SHT30温湿度传感器，该传感器使用IIC协议与单片机实现通信，将采集到的温度信息实时送给单片机，单片机将收到的数据处理后实时地在液晶屏上显示出来。

（4）燃气检测电路

采用MQ5 传感器，单片机的ADC1，并将PC1 作为模拟输入口，在软件层面实现数据换算处理。

（5）通信电路

采用ESP8266，通过单片机的串口通信实现和手机移动端的实时通信，达到实时给用户发送报警短信的目的。

（6）报警电路

采用LED 灯和蜂鸣器，通过单片机的串口连接实现燃气浓度到达设定数值后蜂鸣器响和LED 红灯闪烁，由于单片机的I∕O 驱动能力不强，对蜂鸣器的驱动加入一个NPN 三极管，使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。而三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，有效避免产生误报警。

当系统上电后，单片机会进行初始化操作。MQ5 模块会启动，并进行全天24 h 的燃气浓度监测。随后，温湿度传感器开始采集环境温度和湿度数据，并将这些数据实时显示在液晶屏上。当MQ5 模块检测到的浓度超过设定阈值时，蜂鸣器和LED 灯会开始工作，同时ESP8266模块会向用户的手机发送短信提醒。

该系统硬件电路原理如图3所示。

图3 硬件设计简图

3 系统流程

为了实现系统的各项功能，对系统各个功能进行相应的程序设计。从主程序到各模块的子程序经过严格的设计和调试，本装置整体运行流畅，已完成预期任务。

3.1 主流程

系统上电启动后，蜂鸣器模块、ESP8266 通信传输模块、云平台、ABC 模块以及LCD 模块都会经过初始化过程，驱动电路启动整个系统的运行。使用串口中断函数，在燃气浓度达到设定数值时，通过单片机的串口连接，LED 灯会亮起并且蜂鸣器响起，以提醒用户。同时， 系统会通过ESP8266 将相关数据上传至云平台，一旦泄漏问题得到解决，系统将退出这一流程，回到原本正常工作状态。燃气检测装置主流程如图4所示。

图4 燃气检测装置主流程

3.2 气体传感器工作流程

本装置采用MQ5 天然气传感器与主控制器协同工作，其详细流程如图5 所示。一旦装置初始化完成并进入正常工作状态，它会通过中断来启动气体检测。检测后，装置将采集到的气体数据进行显示，并同时上传至云端，最终回到主程序以完成一次检测。

图6 数据上传子流程

图5 气体检测子流程

3.3 数据上传流程

当装置检测到环境温湿度和燃气浓度数据时，需要将数据上传至云平台，具体流程如图6 所示。ESP8266切换至AP+WiFi 模式下将实时数据上传至云端，接收到发送成功的AT指令后结束发送，用户收到报警信息可以远程查看，并及时做出相应的措施。

4 装置测试

本文燃气检测系统主要由STM32F405 作为中控， 由正点原子ESP8266 TCP+AP 模式进行联网通信，右上方MP5 可检测天然气燃气等易燃易爆气体，在MP5 下方由蜂鸣器与左方红色LED 作为报警时警示用户，左上方的TFT 屏可实时显示周围环境的情况。蓝色LED为正常工作电灯。

（1）燃气检测系统的PC端数据传输显示

在ONENET 云平台上，用户可以远程实时查看装置信息，并且能够通过下达简单的指令来控制装置的开关等操作。鉴于用户不一定随身携带电脑的情况，可通过手机应用程序ESPTouch 查看相关装置发送的数据，实时了解燃气检测系统的运行情况。云端数据信息如图8 所示。App数据信息如图9所示。

图7 装置初始状态

图8 云端数据信息

图9 App数据信息

该装置进行初始化，ESP8266 配网，当接入成功装置正常显示时，蜂鸣器鸣叫提醒用户设备已工作状态。燃气检测系统正常工作状态下，可通过1.44 cm×2.54 cm TFT LCD（1.44 寸）实时显示数据，界面也可设置燃气浓度的安全范围来提示用户。

（2）对燃气检测系统的性能测试数据分析

实验在室内无空调风扇等影响下进行，为了实验安全，采用模拟泄漏源，对于上面实验考虑到会受到前一次实验影响，设定间隔10 min 以上，观察体积分数数值为0～100×10-6是一个正常环境的水平再开始实验，实验数据均由云平台提供，与上节选比较有代表性的三次数据进行比较。

实验数据对比显示泄漏源越接近传感器，装置响应速度越快，数据增加的幅度越大，蜂鸣器报警最迅速，泄漏源距离装置0.1 m时，响应速度最快。在检测到泄漏气体时迅速响应，在2 s 后迅速上升，最终距离峰值330 极为接近，触发报警。

泄漏源距离装置0.2 m时，该系统响应速度适中。4 s后，装置检测到燃气体积分数迅速上升，但最终体积分数数值比前者低。

泄漏源距离装置大于0.2 m 时，在6 s 后迅速上升，触发报警。实验数据折线如图11 所示。由图可知，这款可燃气体检测装置具有较好的检测精度和响应速度，能够满足正常检测的需求。经过24 h 不间断运行测试，分析测试数据显示，燃气检测系统表现出了较高的稳定性和灵敏性，没有出现长时间的数据缺失或数据发送丢失现象。总体而言，其性能表现满足设计要求。

5 结束语

本文所设计的基于STM32 的智能燃气报警装置，解决了燃气泄漏检测不及时的问题，并引入了实时查看数据和远程操作功能。在功能实现的同时，采用了实时、智能化和多渠道化的设计理念。该装置已经成功满足了设计要求，理想情况下可覆盖小区住户和商业街区，允许物业进行系统管理和监控，移动云终端的运用尤其突出。当前的智能燃气报警装置系统性仍有改进的空间，未来可以考虑对上位机进行系统性的开发，以设置管理员和用户等权限。本文的设计思路对其他检测装置的设计有一定的参考价值。

图10 装置数据显示

图11 实验数据折线图（安全范围数值＜200）