家用燃氣管道防泄露裝置設計研究

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燃氣管道的普及使我們的生活變得十分方便，但同時也讓我們的生活中多了很多危險。燃氣管道中的甲烷或一氧化碳雖然是十分好的燃料，但其化學性質很不穩定。一旦在我們的居家環境中發生泄露，將會造成極大的危害。在最近一年內，整個中國有記錄的燃氣事故有539起，這些事故造成了大量的人員傷亡，其中居家環境下的燃氣泄漏事故有337起，每年由于燃氣泄漏事故造成的經濟損失更是難以估計的。燃氣管道泄露事故的頻頻發生，其本質原因是絕大多數燃氣管道沒有燃氣泄漏檢測裝置和燃氣泄漏應急處理裝置。本設計就是給家用燃氣管道上加裝上述兩種裝置已達到減少燃氣泄漏事故的目的。本設計主要由燃氣泄漏監測模塊，燃氣泄漏報警模塊，燃氣泄漏應急處置模塊，控制模塊和物聯網模塊組成。整個設計可以在燃氣發生泄露時主動進行聲音報警以提醒室內人員盡快撤離，同時該設計中的物聯網模塊也會向用戶的手機端發送燃氣泄漏的信息，從而達到用戶遠程監控燃氣泄漏情況的目的，該系統還可以通過電控閥門模塊關閉入戶燃氣管道總閥門并通過排風扇迅速排除燃氣，從而達到阻止進一步燃氣泄漏的目的。該設計對于保護我們在居家環境下的安全，有著重要的意義。

1.系統總體方案設計

本系統以51單片機作為控制裝置，采用多個氣體傳感器監測室內的燃氣濃度，燃氣濃度一但超過安全范圍，氣體傳感器就會將這一信息反饋給單片機，單片機接到信號后便會通過控制物聯網模塊向用戶手機發出警告信息，通過控制報警裝置對室內人員進行報警，通過控制電動閥門切斷室內的燃氣供應，通過控制排風扇排出室內已經泄露的燃氣。做行業曲線linkindustryAppraisement可替代度影響力可實現度行業關聯度真實度到了對燃氣泄漏問題的全自動化的處理，極大節省了人力物力。整個系統的電路系統框圖如圖1所示。

2.系統控制模塊的選用

本設計主要應用于我們日常的居家環境，因此在選擇控制芯片時不僅要考慮其計算能力，還要考慮其價格是否能被大多數人接受，要盡量選擇物美價廉的芯片。通過對本設計中需要處理的數據量的估計，數據計算量主要來自傳感器模塊和物聯網模塊，并且需要處理的數據量不是很大。經過綜合考慮，出現在20世紀90年代的STC89C52單片機成為本設計的首要選擇，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位處理器相比其運算能力會弱不少，不過它的價格遠遠低于它們，功耗也比較低，并且8位的處理器完全可以滿足本設計的數據處理需要，綜合分析該型芯片對于本設計有著極高的性價比。該芯片的集成度很高，可以直接通過數據線與電腦鏈接，通過電腦便可完成程序的測試和燒錄，無需其他設備，極大地方便了使用人員，并且該型芯片還有著很強的擴展能力，其共有40個引腳可供外部設備連接，滿足本設計的需求。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，可以滿足在廚房環境的強電磁干擾下工作的需要。在本系統的設計過程中，STC89C52芯片的調試過程分為兩個步驟：（1）在Windows端的Keil開發平臺上設計所需程序；（2）將設計好的程序燒錄到STC89C52芯片上。完成上述的兩個步驟，本系統所需要的STC89C52芯片便可以投入使用了。由于篇幅限制，本系統的程序便不在這里贅述了。

3.系統傳感器模塊的選用

整個系統的性能如何取決于傳感器，它相當于整個系統的探測裝置，其精準與否直接決定了系統能否正常工作。當然兼顧精準性的同時還要考慮其經濟性。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體氣體傳感器可以有效地探測燃氣泄漏。紅外氣體傳感器有著較強的測量精度，并且不容易因為外界因素而損壞，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點。也正是由于他的性能過于優異，所以其技術難度大，在目前的氣體傳感器市場內，其還存在著技術壁壘，因此它的成本很高。半導體傳感器是應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。半導體傳感器也分為多種類型，經過對不同種類性能的分析，其中以Pt-SnO2為傳感材料的電導型表面敏感氣體傳感器對CO，CH4等氣體的監測效果良好，綜合價格因素，最終本設計選擇該型傳感器作為整個系統的傳感器模塊使用。

4.系統物聯網模塊的選用

該系統的物聯網模塊主要有ESP8266芯片和云服務器和手機移動APP構成，以此來實現用戶隨時隨地監控家中的燃氣濃度是否超標的目的。Espressif公司研發的ESP8266EX是一款可以進行物聯網編程的芯片，從它被研發出來的那天起，它就被廣泛地應用于物聯網的開發當中。ESP8266是由Ai-thinker公司在ESP8266EX的基礎上開發而來的，該型芯片可以實現云服務，實現與移動端（手機APP）之間的實時數據交互。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（無線網絡）相連接，從而通過WIFI（無線網絡）接入網絡，手機通過網絡對該芯片進行實時的數據交互；在第二種模式下，將該芯片作為熱點，手機連接該芯片熱點實行對該芯片的局域網內的數據實時交互；第三種模式，是上述兩種模式的結合，既可以使用第一種模式實現手機與芯片之間的信息交互，也可以使用第二種模式實現手機與芯片間的信息交互，有著極高的靈活性，實現了通過互聯網進行信息傳輸和通過局域網進行信息傳輸的靈活切換?？紤]到本設計的應用環境大多為遠距離操作，因此本設計采用了STA模式進行設計。數據交互的實現需要軟件和硬件的相互配合，二者缺一不可，該系統的軟件部分由EMQX、InfluxDB、以及手機APP構成，硬件部分由ESP8266構成。EMQX是一種高性能的物聯網MQTT消息中間件，主要負責數據的接收和發送，是數據的中轉站；InfluxDB是一種時序數據庫，在本設計中需要存貯的數據量比較大，并且需要將數據按照采集周期進行上報，數據的存儲需要按照一定的時間序列，因此本設計使用時序式數據庫是比較好的選擇，它可以高效的處理本設計中的數據。手機APP可以通過不同的配置將查詢采集到的數據經過整理統計后展示給用戶。整個系統的數據交互的流程如下：ESP8266將傳感器收集到的數據通過MQTT協議上傳到EMQX，數據通過中轉站EMQX的中轉進入InfluxDB中，InfluxDB將數據進行分類儲存并最終呈現在手機APP上。

5.系統應用前景

截至目前，我國家庭住戶已達到5.3億戶，這其中約有1.5億使用天然氣的住戶。根據調查這些住戶里面絕大多數沒有安裝燃氣泄漏保護裝置，這也是每年我國都有大量因燃氣泄漏造成重大事故的原因。現有的燃氣泄漏保護裝置只有監測報警功能，并不能從本質上解決燃氣泄漏的問題。本設計運用了物聯網技術，使用戶可以隨時隨地的監控家中燃氣情況。燃氣一旦發生泄露，該設計可以做到主動關閉燃氣閥門，并且通過排風扇將泄露的燃氣排到室外。做到了燃氣泄漏保護的自動化。目前國內的同類設計比較少見，因此該設計在未來具有很好的市場應用前景。

6.結語

本設計以解決居家環境下的燃氣泄漏問題為目的，使用氣體傳感器，51單片機，電控閥門，排風扇，報警器等硬件設備結合物聯網技術實現了對居家環境下的燃氣濃度的監測和對燃氣泄漏的保護。本設計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隨處可見，它對于保護我們居家環境的安全有著重要的意義。本設計所有原件的選用都是在滿足基本使用要求的前提下，兼顧了經濟性和可靠性。因此整個設計的成本不會過高，這也是為了保證廣大用戶的利益。本設計的亮點在于物聯網技術的實現，在文中也著重地介紹了物聯網技術的實現過程。物聯網技術是目前的前沿技術，尤其是在智能家居領域。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