基于ESP8266的燃氣泄漏云響應裝置*

摘要：當燃氣氣體濃度超過安全限值時，會向服務器發(fā)出警報，同時將報警信息傳輸?shù)桨惭b了Android操作系統(tǒng)的移動設備上，用戶可以根據(jù)警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發(fā)生。該系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測燃氣泄漏事件的實時響應，是一種全新的燃氣報警器設計，可以有效保護燃氣用戶的安全。

*基金項目：由大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目基金資助

近年來，燃氣泄漏事件變得越來越頻繁，其實一些燃氣泄漏事件是可以被及時發(fā)現(xiàn)和預防的，但是由于缺乏有效的監(jiān)測系統(tǒng)，這類事件經(jīng)常被忽視，造成嚴重的安全隱患。為了解決這一問題，研究者們開發(fā)了一系列的燃氣報警器，以便及時發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏事件，從而保護用戶的安全。

目前，大多數(shù)燃氣報警器采用傳統(tǒng)的本地報警方式，例如，許多燃氣報警器采用聲音、燈光等本地報警方式，這種報警方式只能發(fā)出本地報警，無法及時發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏事件，并且可能會因為環(huán)境噪音而無法發(fā)出報警。另外，一些研究者也提出了基于GSM 網(wǎng)絡的報警系統(tǒng)，但是GSM 網(wǎng)絡的覆蓋范圍較小，報警系統(tǒng)的可靠性較低。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于ESP8266的燃氣泄漏云響應系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由MQ-4 氣體傳感器、MC106B 傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RGBLED、ESP8266 MCU、Android 操作系統(tǒng)移動設備以及云端傳感器網(wǎng)絡組成。

本文以ESP8266-12f 為核心控制器，ESP8266 是一款可編程的小型微控制器，具有低功耗、低成本、小體積、高性能等優(yōu)點。它可以實現(xiàn)多種不同的物聯(lián)網(wǎng)應用，比如室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、家庭自動化、網(wǎng)關設備等。環(huán)境監(jiān)測燃氣泄漏云響應系統(tǒng)旨在監(jiān)測室內(nèi)燃氣水平，如果燃氣泄漏，將通過云服務及時發(fā)送警報。這樣可以大大減少燃氣泄漏帶來的損失和危害。本文將闡述如何使用ESP8266 設計這樣一個系統(tǒng)以及它的功能和特點。

1 整體設計方案

1.1 硬件系統(tǒng)設計

采用ESP8266 作為主控芯片：ESP8266 是一款高性能、穩(wěn)定、可靠的無線網(wǎng)絡控制芯片，可實現(xiàn)WiFi 連接，集成TCP/IP 協(xié)議棧，可以連接云端。燃氣傳感器,用于檢測環(huán)境中的燃氣濃度，如有泄漏可以及時發(fā)出警報。溫濕度傳感器, 用于檢測環(huán)境中的溫度和濕度，以確保檢測結果的準確性。 外部蜂鳴器, 當環(huán)境中出現(xiàn)燃氣泄漏時，外部蜂鳴器可以發(fā)出警報，提醒人們注意安全。電磁閥，如若發(fā)生燃氣泄漏，可進行遠程控，阻隔泄漏。外部電源，用于給各模塊提供電源，以便系統(tǒng)正常工作。

圖1 主硬件模塊

1.2 溫濕度監(jiān)測模塊

此模塊我們采用DHT11，DHT11 是一種常用的溫濕度傳感器，以實時測量環(huán)境中的溫度和濕度，它可以輸出0~100% 的濕度和0~50℃ 的溫度數(shù)據(jù)，精度可達±2℃。其硬件設計非常簡單，由1 片單芯片組成，其中包含1 個溫度傳感器、1 個濕度傳感器和1 個微控制器。該傳感器通過向微控制器發(fā)送信號來檢測溫度和濕度，并將結果發(fā)送給用戶。此外，DHT11 也包含1 個模擬輸出接口，可以將溫濕度結果轉換成模擬信號，以便用戶讀取。

DHT11 里面封裝了1 個8 位MCU，單片機連接了1 個電阻式感濕元件和1 個NTC 測溫元件，圖2 為簡單圖示。

圖2 DHT11元件簡圖

1.3 氣體監(jiān)測模塊設計

氣體監(jiān)測模塊，采用MC106B 氣體傳感器與MQ-4氣體傳感器結合使用。

MQ-4：MQ-4 是一款甲烷傳感器，主要用于檢測空氣中的甲烷含量。它能夠準確地檢測空氣中的甲烷含量，從而有助于確保安全和節(jié)能。它具有低成本，緊湊設計，低功耗，低噪聲等優(yōu)點。

MC106B：MC106B 氣體傳感器是一種微型射頻電容氣體傳感器，它能夠測量各種氣體的濃度，并可以在室內(nèi)環(huán)境下檢測甲烷、氨氣、氯氣、二氧化碳等氣體的濃度。并且具有良好的電磁兼容性，可在室溫下持續(xù)長達5 年。它采用分立極化電容式結構，具有快速響應、高精度、低電流消耗等優(yōu)點。

為了提高檢測的精準度，對MC106B 進行出信號隨環(huán)境濕度變化特性觀測，以實現(xiàn)精準測量。

圖3 為MC106B 的輸出信號隨環(huán)境濕度變化。

圖3 MC106B特性曲線

1.4 電源模塊設計

放電控制電路、檢測電路、保護電路和充放電接口等。電源管理電路主要負責將輸入電源調(diào)節(jié)到所需要的電壓，以及控制電池的充放電狀態(tài)；充放電控制電路主要負責控制充放電的流程；檢測電路主要負責檢測電池的電壓和電流等信息；保護電路主要負責防止電池過充過放；充放電接口主要負責連接電池和外部電源。

1.5 OLED顯示屏設計

選用0.96 寸OLED 顯示效果出眾，具有極高的對比度和亮度；可以更節(jié)省電能，使用耗電量比普通LCD顯示器更低；更輕薄，比普通LCD 顯示器的厚度更薄；更可靠，具有更長的使用壽命。

OLED 用來顯示溫度、濕度，燃氣濃度等環(huán)境參數(shù)。此外，OLED 還可以用來顯示搭配系統(tǒng)的調(diào)試信息，使用者可以查看到系統(tǒng)運行狀態(tài)，從而有效提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.6 聲光報警設計

當監(jiān)測到的燃氣濃度高出閾值，或者環(huán)境溫濕度異常時向云端發(fā)出警報信息，同時采用聲音和光學報警的方式來報警并向云端發(fā)送危險信息。當待測氣體體積分數(shù)超過預設的檢測閾值時，單片機 控制三極管導通，使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過改變與單片機相連引腳輸出波形的頻率，就能控制蜂鳴器音調(diào)變化；通過控 制 LED燈與IO 口相連端的電壓來調(diào)節(jié)燈的亮滅。 在程序 中設定LED 燈間隔 1s 進行閃爍作為警示。

1.7 電磁閥的設計

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關閉不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油進入不同的排油管，通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。進而通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。單片機控制電磁閥如下圖4。

圖4 控制電磁閥簡圖

2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為兩個部分，即ESP8266 的軟件設計和云服務器的軟件設計。

2.1 ESP8266的軟件設計的組成

1）WiFi 模塊的配置： 首先， 配置ESP8266 的Wi-Fi 模塊，使其可以連接到云服務器；

2）溫濕度傳感器的驅(qū)動：編寫驅(qū)動程序，以實現(xiàn)對DHT11 溫濕度傳感器的控制，從而實時獲取環(huán)境中的溫度和濕度信息；

3）氣體傳感器的驅(qū)動：編寫驅(qū)動程序，以實現(xiàn)對MC106B 與MQ-4 對可燃氣體的濃度監(jiān)測；

4）RGB LED 的驅(qū)動：編寫驅(qū)動程序，以實現(xiàn)對RGB LED 的控制，從而根據(jù)溫度和濕度的變化來控制顏色；

5）數(shù)據(jù)傳輸：編寫程序，實現(xiàn)將溫度和濕度數(shù)據(jù)通過WiFi 發(fā)送到云服務器，以便遠程控制和監(jiān)測；

6）電磁閥的控制：編寫程序，通過控制單片機IO口輸出高低電平，實現(xiàn)控制電磁閥。

2.2 云服務器的軟件設計的組成

1）網(wǎng)絡連接：編寫程序，以實現(xiàn)ESP8266 和云服務器之間的網(wǎng)絡連接；

2）數(shù)據(jù)接收：編寫程序，以實現(xiàn)從ESP8266 接收溫度和濕度數(shù)據(jù)的功能；

3）數(shù)據(jù)處理：編寫程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理和可視化等功能，以便進行遠程監(jiān)控和控制。

3 系統(tǒng)測試

3.1 構建測試環(huán)境

根據(jù)系統(tǒng)設計的功能，搭建1 個可以模擬燃氣泄漏的測試環(huán)境，來檢測系統(tǒng)的響應速度和準確性。

1）使用傳感器測量環(huán)境中的變量，包括溫度、濕度、空氣質(zhì)量、空氣壓力、氣體濃度等，并對數(shù)據(jù)進行實時采集；

2）使用ESP8266 將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，并實時監(jiān)測燃氣泄漏情況；

3）在云端進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)環(huán)境的變化，判斷是否有燃氣泄漏的可能；

4）當發(fā)現(xiàn)有可能發(fā)生燃氣泄漏時，及時發(fā)出報警信號，并及時采取安全措施。

3.2 模擬環(huán)境測試

使用模擬工具來模擬燃氣泄漏的環(huán)境，對系統(tǒng)的響應能力進行測試。

使用電子煙機、氣體濃度檢測儀、溫濕度計等儀器進行測試，用于檢測和記錄環(huán)境參數(shù)，以評估系統(tǒng)性能。

3.3 功能測試

測試系統(tǒng)的各個功能模塊，確保系統(tǒng)能夠按照預期來完成設計的功能。

功能測試可以從兩個方面進行：

1）從硬件層面進行測試，包括ESP8266 的連接、網(wǎng)絡檢測、傳感器的工作情況、報警設備的正常運行等；

2）從軟件層面進行測試，包括系統(tǒng)的通信性能、數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理、上傳等功能的正常運行。

3.4 性能測試

測試系統(tǒng)的性能，檢查其穩(wěn)定性、響應速度、可靠性等指標。

在基于ESP8266 的環(huán)境監(jiān)測燃氣泄漏云響應系統(tǒng)設計的性能測試方法中，我們使用壓力測試、延遲測試、可靠性測試和安全性測試等技術來檢測系統(tǒng)性能。壓力測試可用于測試系統(tǒng)在高并發(fā)情況下的表現(xiàn)，延遲測試可用于測試系統(tǒng)處理請求的速度，可靠性測試可用于測試系統(tǒng)的可靠性。

3.5 安全測試

測試系統(tǒng)的安全性，確保系統(tǒng)能夠符合安全要求。

3.6 測試數(shù)據(jù)

本次數(shù)據(jù)采集通過利用亞克力板，搭建外部隔絕環(huán)境，每分鐘進行1 次數(shù)據(jù)采集，共采集13 組數(shù)據(jù)，見表1。

圖5 效果展示

4 結束語

本文提出了一種基于ESP8266 的環(huán)境監(jiān)測燃氣泄漏云響應系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MQ-4 氣體傳感器和MC106B感器檢測環(huán)境中的燃氣氣體濃度，并將數(shù)據(jù)上傳到云端，當燃氣氣體濃度超過安全限值時，會向服務器發(fā)出警報，同時將報警信息傳輸?shù)桨惭b了Android 操作系統(tǒng)的移動設備上，用戶可以根據(jù)警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發(fā)生。通過測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時響應，從而有效地保護了用戶的安全。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）