家用燃?xì)夤艿婪佬孤堆b置設(shè)計(jì)研究

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燃?xì)夤艿赖钠占笆刮覀兊纳钭兊檬址奖?，但同時(shí)也讓我們的生活中多了很多危險(xiǎn)。燃?xì)夤艿乐械募淄榛蛞谎趸茧m然是十分好的燃料，但其化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定。一旦在我們的居家環(huán)境中發(fā)生泄露，將會(huì)造成極大的危害。在最近一年內(nèi)，整個(gè)中國有記錄的燃?xì)馐鹿视?39起，這些事故造成了大量的人員傷亡，其中居家環(huán)境下的燃?xì)庑孤┦鹿视?37起，每年由于燃?xì)庑孤┦鹿试斐傻慕?jīng)濟(jì)損失更是難以估計(jì)的。燃?xì)夤艿佬孤妒鹿实念l頻發(fā)生，其本質(zhì)原因是絕大多數(shù)燃?xì)夤艿罌]有燃?xì)庑孤z測裝置和燃?xì)庑孤?yīng)急處理裝置。本設(shè)計(jì)就是給家用燃?xì)?/a>管道上加裝上述兩種裝置已達(dá)到減少燃?xì)庑孤┦鹿实哪康?。本設(shè)計(jì)主要由燃?xì)庑孤┍O(jiān)測模塊，燃?xì)庑孤﹫?bào)警模塊，燃?xì)庑孤?yīng)急處置模塊，控制模塊和物聯(lián)網(wǎng)模塊組成。整個(gè)設(shè)計(jì)可以在燃?xì)獍l(fā)生泄露時(shí)主動(dòng)進(jìn)行聲音報(bào)警以提醒室內(nèi)人員盡快撤離，同時(shí)該設(shè)計(jì)中的物聯(lián)網(wǎng)模塊也會(huì)向用戶的手機(jī)端發(fā)送燃?xì)庑孤┑男畔?，從而達(dá)到用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控燃?xì)庑孤┣闆r的目的，該系統(tǒng)還可以通過電控閥門模塊關(guān)閉入戶燃?xì)夤艿揽傞y門并通過排風(fēng)扇迅速排除燃?xì)?，從而達(dá)到阻止進(jìn)一步燃?xì)庑孤┑哪康?。該設(shè)計(jì)對于保護(hù)我們在居家環(huán)境下的安全，有著重要的意義。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以51單片機(jī)作為控制裝置，采用多個(gè)氣體傳感器監(jiān)測室內(nèi)的燃?xì)鉂舛?，燃?xì)鉂舛纫坏^安全范圍，氣體傳感器就會(huì)將這一信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)接到信號(hào)后便會(huì)通過控制物聯(lián)網(wǎng)模塊向用戶手機(jī)發(fā)出警告信息，通過控制報(bào)警裝置對室內(nèi)人員進(jìn)行報(bào)警，通過控制電動(dòng)閥門切斷室內(nèi)的燃?xì)夤?yīng)，通過控制排風(fēng)扇排出室內(nèi)已經(jīng)泄露的燃?xì)狻Ｗ鲂袠I(yè)曲線linkindustryAppraisement可替代度影響力可實(shí)現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實(shí)度到了對燃?xì)庑孤﹩栴}的全自動(dòng)化的處理，極大節(jié)省了人力物力。整個(gè)系統(tǒng)的電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)控制模塊的選用

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于我們?nèi)粘５木蛹噎h(huán)境，因此在選擇控制芯片時(shí)不僅要考慮其計(jì)算能力，還要考慮其價(jià)格是否能被大多數(shù)人接受，要盡量選擇物美價(jià)廉的芯片。通過對本設(shè)計(jì)中需要處理的數(shù)據(jù)量的估計(jì)，數(shù)據(jù)計(jì)算量主要來自傳感器模塊和物聯(lián)網(wǎng)模塊，并且需要處理的數(shù)據(jù)量不是很大。經(jīng)過綜合考慮，出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代的STC89C52單片機(jī)成為本設(shè)計(jì)的首要選擇，該芯片是由STC公司研制的一款芯片，擁有8位的處理器，雖然與16位和32位處理器相比其運(yùn)算能力會(huì)弱不少，不過它的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們，功耗也比較低，并且8位的處理器完全可以滿足本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理需要，綜合分析該型芯片對于本設(shè)計(jì)有著極高的性價(jià)比。該芯片的集成度很高，可以直接通過數(shù)據(jù)線與電腦鏈接，通過電腦便可完成程序的測試和燒錄，無需其他設(shè)備，極大地方便了使用人員，并且該型芯片還有著很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，其共有40個(gè)引腳可供外部設(shè)備連接，滿足本設(shè)計(jì)的需求。該芯片也有著較高的可靠性，可以滿足在廚房這種高油煙，高溫環(huán)境下的使用需求。并且其還有著較高的抗干擾性能，可以滿足在廚房環(huán)境的強(qiáng)電磁干擾下工作的需要。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，STC89C52芯片的調(diào)試過程分為兩個(gè)步驟：（1）在Windows端的Keil開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)所需程序；（2）將設(shè)計(jì)好的程序燒錄到STC89C52芯片上。完成上述的兩個(gè)步驟，本系統(tǒng)所需要的STC89C52芯片便可以投入使用了。由于篇幅限制，本系統(tǒng)的程序便不在這里贅述了。

3.系統(tǒng)傳感器模塊的選用

整個(gè)系統(tǒng)的性能如何取決于傳感器，它相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的探測裝置，其精準(zhǔn)與否直接決定了系統(tǒng)能否正常工作。當(dāng)然兼顧精準(zhǔn)性的同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。目前市場上常見的氣體傳感器的種類有很多，其中紅外氣體傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器可以有效地探測燃?xì)庑孤?。紅外氣體傳感器有著較強(qiáng)的測量精度，并且不容易因?yàn)橥饨缫蛩囟鴵p壞，選擇性好，使用壽命長，不容易被外界因素影響其精度等諸多優(yōu)點(diǎn)。也正是由于他的性能過于優(yōu)異，所以其技術(shù)難度大，在目前的氣體傳感器市場內(nèi)，其還存在著技術(shù)壁壘，因此它的成本很高。半導(dǎo)體傳感器是應(yīng)用比較廣泛的傳感器，有著很大的市場份額，這類的傳感器的成本比較低廉。半導(dǎo)體傳感器也分為多種類型，經(jīng)過對不同種類性能的分析，其中以Pt-SnO2為傳感材料的電導(dǎo)型表面敏感氣體傳感器對CO，CH4等氣體的監(jiān)測效果良好，綜合價(jià)格因素，最終本設(shè)計(jì)選擇該型傳感器作為整個(gè)系統(tǒng)的傳感器模塊使用。

4.系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模塊的選用

該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)模塊主要有ESP8266芯片和云服務(wù)器和手機(jī)移動(dòng)APP構(gòu)成，以此來實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地監(jiān)控家中的燃?xì)鉂舛仁欠癯瑯?biāo)的目的。Espressif公司研發(fā)的ESP8266EX是一款可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)編程的芯片，從它被研發(fā)出來的那天起，它就被廣泛地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)當(dāng)中。ESP8266是由Ai-thinker公司在ESP8266EX的基礎(chǔ)上開發(fā)而來的，該型芯片可以實(shí)現(xiàn)云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)端（手機(jī)APP）之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。ESP8266擁有三種工作模式可以供使用者選擇，分別是STA模式、AP模式和STA+AP模式。在第一種模式下，該芯片直接與WIFI（無線網(wǎng)絡(luò)）相連接，從而通過WIFI（無線網(wǎng)絡(luò)）接入網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)對該芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互；在第二種模式下，將該芯片作為熱點(diǎn)，手機(jī)連接該芯片熱點(diǎn)實(shí)行對該芯片的局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互；第三種模式，是上述兩種模式的結(jié)合，既可以使用第一種模式實(shí)現(xiàn)手機(jī)與芯片之間的信息交互，也可以使用第二種模式實(shí)現(xiàn)手機(jī)與芯片間的信息交互，有著極高的靈活性，實(shí)現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸和通過局域網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)撵`活切換?？紤]到本設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境大多為遠(yuǎn)距離操作，因此本設(shè)計(jì)采用了STA模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)需要軟件和硬件的相互配合，二者缺一不可，該系統(tǒng)的軟件部分由EMQX、InfluxDB、以及手機(jī)APP構(gòu)成，硬件部分由ESP8266構(gòu)成。EMQX是一種高性能的物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息中間件，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站；InfluxDB是一種時(shí)序數(shù)據(jù)庫，在本設(shè)計(jì)中需要存貯的數(shù)據(jù)量比較大，并且需要將數(shù)據(jù)按照采集周期進(jìn)行上報(bào)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要按照一定的時(shí)間序列，因此本設(shè)計(jì)使用時(shí)序式數(shù)據(jù)庫是比較好的選擇，它可以高效的處理本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)。手機(jī)APP可以通過不同的配置將查詢采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理統(tǒng)計(jì)后展示給用戶。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互的流程如下：ESP8266將傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到EMQX，數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)站EMQX的中轉(zhuǎn)進(jìn)入InfluxDB中，InfluxDB將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲(chǔ)存并最終呈現(xiàn)在手機(jī)APP上。

5.系統(tǒng)應(yīng)用前景

截至目前，我國家庭住戶已達(dá)到5.3億戶，這其中約有1.5億使用天然氣的住戶。根據(jù)調(diào)查這些住戶里面絕大多數(shù)沒有安裝燃?xì)庑孤┍Ｗo(hù)裝置，這也是每年我國都有大量因燃?xì)庑孤┰斐芍卮笫鹿实脑颉，F(xiàn)有的燃?xì)庑孤┍Ｗo(hù)裝置只有監(jiān)測報(bào)警功能，并不能從本質(zhì)上解決燃?xì)庑孤┑膯栴}。本設(shè)計(jì)運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用戶可以隨時(shí)隨地的監(jiān)控家中燃?xì)馇闆r。燃?xì)庖坏┌l(fā)生泄露，該設(shè)計(jì)可以做到主動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門，并且通過排風(fēng)扇將泄露的燃?xì)馀诺绞彝?。做到了燃?xì)庑孤┍Ｗo(hù)的自動(dòng)化。目前國內(nèi)的同類設(shè)計(jì)比較少見，因此該設(shè)計(jì)在未來具有很好的市場應(yīng)用前景。

6.結(jié)語

本設(shè)計(jì)以解決居家環(huán)境下的燃?xì)庑孤﹩栴}為目的，使用氣體傳感器，51單片機(jī)，電控閥門，排風(fēng)扇，報(bào)警器等硬件設(shè)備結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對居家環(huán)境下的燃?xì)鉂舛鹊谋O(jiān)測和對燃?xì)庑孤┑谋Ｗo(hù)。本設(shè)計(jì)著重介紹了市面上主要的氣體傳感器，我相信氣體傳感器在未來我們的日常生活中會(huì)隨處可見，它對于保護(hù)我們居家環(huán)境的安全有著重要的意義。本設(shè)計(jì)所有原件的選用都是在滿足基本使用要求的前提下，兼顧了經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此整個(gè)設(shè)計(jì)的成本不會(huì)過高，這也是為了保證廣大用戶的利益。本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在文中也著重地介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前的前沿技術(shù)，尤其是在智能家居領(lǐng)域。筆者水平有限，有些不足的地方，望見諒。

作者：王宇 單位：佳木斯大學(xué)