基于物联网技术的一氧化碳报警控制系统设计.pdf

51中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期APPLICATION RESEARCH 应用研究基于物联网技术的一氧化碳报警控制系统设计Design of Carbon Monoxide Alarm Control System单天颂 刘根生 何宏阳 白馨迪 姚紫娟（新疆理工学院，新疆 阿克苏 843100）Shan Tiansong,Liu Gensheng,He Hongyang,Bai Xindi,Yao Zijuan(Xinjiang Institute of Technology,Akesu Xinjiang 843100)摘要：一氧化碳气体是一种有毒有害气体，人体吸入过多将会导致窒息甚至死亡，因此对于一氧化碳的检测很有必要。本文设计的一氧化碳检测系统采用模块化的方式，以STM32单片机为核心，包括感知层的数据采集、网络层等；同时采用蓝牙模块以及物联网技术，将数据发送到手机上，及时感知危险性，从而减少一氧化碳中毒带来的危害。关键词：物联网 STM32 蓝牙模块Abstract：Monoxide detection,we design carbon monoxide detection system designed using the modular way,STM32 MCU as the core,including sensing layer data acquisition,network layer,while using the bluetooth module and Internet technology,the data sent to the phone,timely perception risk,reduce the harm of carbon monoxide poisoning.Key words：Internet of Things STM32 Bluetooth module收稿日期：2023-03-31基金项目：2022年自治区级大学生创新创业训练计划项目：基于物联网的一氧化碳气体检测与预警控制系统的设计与实现；阿克苏地区科技兴阿项目：柯柯牙人工防护林体系改良土壤特征及相关技术研究。作者简介：单天颂（2000-），男，汉族，河南商丘，大学本科，主要研究方向为电气工程及其自动。油燃烧不充分、厨房煤气泄漏、煤矿中通风不好都会产生过量的一氧化碳气体。如菏泽牡丹区“1.2”较大中毒事故：2019年1月2日，菏泽市牡丹区何楼办事处后尚庄村村民尚某家中，使用火盆燃烧木炭取暖时，由于一氧化碳浓度过高导致3人死亡。枣庄峄城区“1.17”较大中毒事故：2019年1月17日，枣庄市峄城区古邵镇邱庄村郑某某家中，夜间在卧室燃烧木料取暖时一氧化碳中毒，造成一家3口死亡。每年火灾造成的财产损失重大，从火灾发生的场所分析，住宅和人口密集的场所容易造成较多的伤亡率。因此，对于一氧化碳气体的检测以及相关的防护措施非常有必要。1 系统硬件设计1.1 系统硬件总体设计引言一氧化碳气体是对人体极具危害的气体，它能与人体中的血红蛋白作用并破坏人体运输氧气的功能，对人体中枢神经系统造成损伤或者永久性脑损伤；同时，该气体具有易燃、易爆的性质，一旦遇到明火将会造成严重经济损失。而在生活中，汽车燃52 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期应用研究 APPLICATION RESEARCH作电级之间会形成一个闭合回路，同时电级（C级）自动产生一个电子，并在传感器中的工作电级（R级）上自动产生一个与传感器中一氧化碳气体的浓度成正比例的微弱电流。运算放大器中的R5将电流信号反馈到U3，同时U3的输出端7引脚产生电压信号。Q1为场效应管，当电路未通电时Q1导通使工作电级（W级）与参考电级（R级）形成闭合回路并处于相同的电势，避免传感器极化。1.2 蓝牙模块为了实现手机端与STM32单片机之间的无线传输，本设计采用ATK-HC05蓝牙模块。该模块可以实现主模式和从模式的相互转换，并且能与具有蓝牙功能的设备进行匹配，提供更高性能的传输数据。该模块系统控制结构如图3所示。ATK-HC05模块支持各种波特率，与3.3V、5V的MCU相兼容，且具有稳定性好、效率高、灵活性高等特点。图3 蓝牙模块系统控制结构图1.3 CO传感器CO传感器采用MQ-7，经过模/数变换将电子信号变换成数字信号。设定CO的最大值30，而实际环境CO浓度为X。当环境CO浓度X30，则MQ-7继续保持低电平；当环境CO浓度X30，则MQ-7输出高电平。如图4所示。图2 信号调理放大电路图控制系统结构图如图1所示，系统硬件主要由STM控制器、电机驱动、AD模块、OLED显示屏、蓝牙模块和声音报警器等组成。该系统以STM32单片机模块为核心，它控制着点击驱动模块、报警模块以及OLED显示屏；同时利用AD模块将一氧化碳气体检测输出的模拟信号转化为STM32单片机能够接受的数字信号3。当一氧化碳气体浓度过高时，蜂鸣器模块将会报警，并将信号通过蓝牙传递给手机，再通过手机给主板发送指令控制排气扇调控电机的速度。图1 系统硬件框图1.1.1 一氧化碳检测硬件设计目前一氧化碳检测方法应用广泛的是半导体法和电化学法两种。选用柏松牌SO-CO型的一氧化碳传感器。该传感器是采用电位电解型传感器（电流大小与气体浓度有关），气体与元件的两电极之间会发生一种氧化和还原作用，从而产生相应的电信号，通过这种检测电信号大小便能够准确地检测到一氧化碳气体的浓度45。1.1.2 信号放大模型硬件设计STM32单片机无法接收由一氧化碳传感器发送的电信号。一方面，气体检测模块输出的是一种模拟信号，需要把氧化还原反应生成的电流信号直接转化成数字电压信号；另一方面，由于电压传感器的信号相对微弱，需要经过运算放大器进行放大处理后送入STM32单片机。本系统选用具有低功耗、零漂移的OPA333运算放大器，其漂移特性能提供10V的超低失调电压和几乎为零的失调电压漂移，可减少系统中的漂移误差，满足设计需求。信号调理放大电路如图2所示69。当传感器中有一氧化碳气体进入时，电级和工53中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期APPLICATION RESEARCH 应用研究机才能执行编写好的程序。系统软件设计主要包括3部分：（1）一氧化碳探测器及执行机构的软件设计；（2）一氧化碳控制器的软件设计；（3）应用层的软件设计。一氧化碳探测器及执行机构的软件设计主要包括信号的A/D转换模块、报警处理模块和串行通信模块等。信号的A/D转换模块主要对采集到的烟雾浓度模拟信号通过程序的形式转换为数字信号；报警判定则是软件设计中的重要部分，它通过对传感器传送上来的数据进行对比、分析，判断后转入相应的子程序。当所接收到的数据超出一氧化碳报警器的设定值时，一氧化碳报警器就以声光报警的形式提醒现场；将转换后的数据将通过串行口传送到火灾控制器端，主流程图如图6所示。图6 探测器端信号判定及通信主流程图一氧化碳报警器要执行与连接网络相关的功能，需要实现TCP/IP协议。但是由于嵌入式系统资源有限，系统实现了简化的TCP/IP协议。在本系统中，数据链路层采用RTL8019AS实现，为了保证通信的正常工作，系统还采用ARP应答协议。网络层采用IP协议，同时采用能报告数据传输差错等情况的ICMP协议；传输层采用传输控制协议TCP；应用层传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据报做打包、拆包处理。1.4 蜂鸣器电路本系统采用的是9013驱动蜂鸣器，其工作原理是定时翻转I/O口电平进而驱动蜂鸣器发出和停止报警。当单片机发出蜂鸣器报警指令时，仅需将I/O口的电平翻转1次，无需发声时，将I/O口的电平设定为低电平，如图5所示。图5 蜂鸣器电路2 软件设计C语言具有功能丰富的库函数，其运算速度快，编译效率高，可移植性良好，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。使用C语言肯定使用C编译器，以便把写好的C程序编译为机器码，这样单片图4 CO传感器54 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期应用研究 APPLICATION RESEARCH（15）：4344.2 陈振钊，林佳茵，黄淑芬，等.基于STM32的一氧化碳监测系统设计J.信息与电脑（理论版），2021，33（13）：6567.3 李浩，储珂，胡飘，等.关于一氧化碳检测报警仪的研究J.机电信息，2020（27）：4748.4 刘慧.室内一氧化碳报警通风系统的设计J.科技经济导刊，2017（16）：6566.5 李瑞福.便携式气体报警仪的设计J.新型工业化，2016，6（12）：4952.6 何源，黄梦涛，王伟峰.基于STM32L151的便携式气体检测仪设计J.电子产品世界，2018，25（1）：4951.7 张彤.基于STM32的便携式多气体检测仪的研究与设计D.齐齐哈尔：齐齐哈尔大学，2015：4142.8 刘文娟，朱留存，夏建琪.基于STM32的便携式多气体检测报警器设计J.电子科学技术，2017，4（4）：5762.9 朱梅梅.便携式多气体检测仪设计D.济南：山东交通学院，2016：5556.一氧化碳控制器软件设计主要包括芯片的初始化、驱动程序、协议处理以及网络配置程序。初始化的主要任务是设置微处理器和外围芯片的工作方式和端口配置等；驱动程序主要针对以太网接口芯片RTL8019AS而编写，用于选择工作方式和缓冲区的分配；网络配置程序主要是给系统分配IP地址和 域名。对于基于物联网的一氧化碳报警控制系统来说，应用层云平台需要接收网络层传送上来的数据，对这些数据进行存储分析处理，并通过蓝牙的形式将报警信息传给手机。各网络用户也可以通过网络访问应用层服务器，查询系统内各单位的一氧化碳实时监控信息或历史一氧化碳信息等功能。3 结束语本文设计的基于物联网技术的一氧化碳报警控制系统，从现场信号的检测、再到数据的传送，使单一的一氧化碳报警器更加具有智能性。参考文献1 张鹏程，应斌铖，王金怡，等.基于STM32的一氧化碳检测系统研究J.科技资讯，2018，16及发展趋势J.数字化用户，2022，28（9）：236238.2 蔡伯峰.工业互联网App的开发研究J.知识经济，2021，（8）：4041.3 董长青，胡葳，张春华，等.基于封装和集成技术的工业App应用研究J.工程机械，2018，（12）：6165.4 何积丰.实现价值提升我国工业互联网App发展态势良好J.工业互联网周刊，2018，（10）：13.如图4所示。图4 应用运行结果参考文献1 杜志强.我国工业App的演变历程、产业政策（上接第50页）