基于ESP8266的燃?xì)庑孤┰祈憫?yīng)裝置*

摘要：當(dāng)燃?xì)鈿怏w濃度超過(guò)安全限值時(shí)，會(huì)向服務(wù)器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將報(bào)警信息傳輸?shù)桨惭b了Android操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備上，用戶(hù)可以根據(jù)警報(bào)迅速采取措施阻止燃?xì)庑孤┦录l(fā)生。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┦录膶?shí)時(shí)響應(yīng)，是一種全新的燃?xì)鈭?bào)警器設(shè)計(jì)，可以有效保護(hù)燃?xì)庥脩?hù)的安全。

*基金項(xiàng)目：由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金資助

近年來(lái)，燃?xì)庑孤┦录兊迷絹?lái)越頻繁，其實(shí)一些燃?xì)庑孤┦录强梢员患皶r(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防的，但是由于缺乏有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這類(lèi)事件經(jīng)常被忽視，造成嚴(yán)重的安全隱患。為了解決這一問(wèn)題，研究者們開(kāi)發(fā)了一系列的燃?xì)鈭?bào)警器，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤┦录瑥亩Ｗo(hù)用戶(hù)的安全。

目前，大多數(shù)燃?xì)鈭?bào)警器采用傳統(tǒng)的本地報(bào)警方式，例如，許多燃?xì)鈭?bào)警器采用聲音、燈光等本地報(bào)警方式，這種報(bào)警方式只能發(fā)出本地報(bào)警，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤┦录⑶铱赡軙?huì)因?yàn)榄h(huán)境噪音而無(wú)法發(fā)出報(bào)警。另外，一些研究者也提出了基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)，但是GSM 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍較小，報(bào)警系統(tǒng)的可靠性較低。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于ESP8266的燃?xì)庑孤┰祈憫?yīng)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(dòng)設(shè)備以及云端傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)多種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，比如室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。環(huán)境監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┰祈憫?yīng)系統(tǒng)旨在監(jiān)測(cè)室內(nèi)燃?xì)馑?，如果燃?xì)庑孤?，將通過(guò)云服務(wù)及時(shí)發(fā)送警報(bào)。這樣可以大大減少燃?xì)庑孤?lái)的損失和危害。本文將闡述如何使用ESP8266 設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)以及它的功能和特點(diǎn)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用ESP8266 作為主控芯片：ESP8266 是一款高性能、穩(wěn)定、可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制芯片，可實(shí)現(xiàn)WiFi 連接，集成TCP/IP 協(xié)議棧，可以連接云端。燃?xì)鈧鞲衅?用于檢測(cè)環(huán)境中的燃?xì)鉂舛?，如有泄漏可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)。溫濕度傳感器, 用于檢測(cè)環(huán)境中的溫度和濕度，以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 外部蜂鳴器, 當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)燃?xì)庑孤r(shí)，外部蜂鳴器可以發(fā)出警報(bào)，提醒人們注意安全。電磁閥，如若發(fā)生燃?xì)庑孤蛇M(jìn)行遠(yuǎn)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(cè)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(shí)時(shí)測(cè)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(dá)±2℃。其硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，由1 片單芯片組成，其中包含1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè)濕度傳感器和1 個(gè)微控制器。該傳感器通過(guò)向微控制器發(fā)送信號(hào)來(lái)檢測(cè)溫度和濕度，并將結(jié)果發(fā)送給用戶(hù)。此外，DHT11 也包含1 個(gè)模擬輸出接口，可以將溫濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，以便用戶(hù)讀取。

DHT11 里面封裝了1 個(gè)8 位MCU，單片機(jī)連接了1 個(gè)電阻式感濕元件和1 個(gè)NTC 測(cè)溫元件，圖2 為簡(jiǎn)單圖示。

圖2 DHT11元件簡(jiǎn)圖

1.3 氣體監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

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

MQ-4：MQ-4 是一款甲烷傳感器，主要用于檢測(cè)空氣中的甲烷含量。它能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)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(shè)計(jì)，低功耗，低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

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(cè)量各種氣體的濃度，并可以在室內(nèi)環(huán)境下檢測(cè)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(zhǎng)達(dá)5 年。它采用分立極化電容式結(jié)構(gòu)，具有快速響應(yīng)、高精度、低電流消耗等優(yōu)點(diǎn)。

為了提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度，對(duì)MC106B 進(jìn)行出信號(hào)隨環(huán)境濕度變化特性觀測(cè)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

圖3 為MC106B 的輸出信號(hào)隨環(huán)境濕度變化。

圖3 MC106B特性曲線

1.4 電源模塊設(shè)計(jì)

放電控制電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和充放電接口等。電源管理電路主要負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)控制充放電的流程；檢測(cè)電路主要負(fù)責(zé)檢測(cè)電池的電壓和電流等信息；保護(hù)電路主要負(fù)責(zé)防止電池過(guò)充過(guò)放；充放電接口主要負(fù)責(zé)連接電池和外部電源。

1.5 OLED顯示屏設(shè)計(jì)

選用0.96 寸OLED 顯示效果出眾，具有極高的對(duì)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(zhǎng)的使用壽命。

OLED 用來(lái)顯示溫度、濕度，燃?xì)鉂舛鹊拳h(huán)境參數(shù)。此外，OLED 還可以用來(lái)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(yùn)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(bào)警設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)測(cè)到的燃?xì)鉂舛雀叱鲩撝担蛘攮h(huán)境溫濕度異常時(shí)向云端發(fā)出警報(bào)信息，同時(shí)采用聲音和光學(xué)報(bào)警的方式來(lái)報(bào)警并向云端發(fā)送危險(xiǎn)信息。當(dāng)待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的檢測(cè)閾值時(shí)，單片機(jī) 控制三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過(guò)改變與單片機(jī)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(guò)控 制 LED燈與IO 口相連端的電壓來(lái)調(diào)節(jié)燈的亮滅。 在程序 中設(shè)定LED 燈間隔 1s 進(jìn)行閃爍作為警示。

1.7 電磁閥的設(shè)計(jì)

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開(kāi)有通孔，每個(gè)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(huì)被吸引到哪邊，通過(guò)控制閥體的移動(dòng)來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉不同的排油孔，而進(jìn)油孔是常開(kāi)的，液壓油進(jìn)入不同的排油管，通過(guò)油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置。進(jìn)而通過(guò)控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)控制電磁閥如下圖4。

圖4 控制電磁閥簡(jiǎn)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，即ESP8266 的軟件設(shè)計(jì)和云服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 ESP8266的軟件設(shè)計(jì)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(wù)器；

2）溫濕度傳感器的驅(qū)動(dòng)：編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT11 溫濕度傳感器的控制，從而實(shí)時(shí)獲取環(huán)境中的溫度和濕度信息；

3）氣體傳感器的驅(qū)動(dòng)：編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)MC106B 與MQ-4 對(duì)可燃?xì)怏w的濃度監(jiān)測(cè)；

4）RGB LED 的驅(qū)動(dòng)：編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB LED 的控制，從而根據(jù)溫度和濕度的變化來(lái)控制顏色；

5）數(shù)據(jù)傳輸：編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)將溫度和濕度數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 發(fā)送到云服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)；

6）電磁閥的控制：編寫(xiě)程序，通過(guò)控制單片機(jī)IO口輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)控制電磁閥。

2.2 云服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)的組成

1）網(wǎng)絡(luò)連接：編寫(xiě)程序，以實(shí)現(xiàn)ESP8266 和云服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接；

2）數(shù)據(jù)接收：編寫(xiě)程序，以實(shí)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(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和可視化等功能，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 構(gòu)建測(cè)試環(huán)境

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，搭建1 個(gè)可以模擬燃?xì)庑孤┑臏y(cè)試環(huán)境，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

1）使用傳感器測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

2）使用ESP8266 將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┣闆r；

3）在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)環(huán)境的變化，判斷是否有燃?xì)庑孤┑目赡埽?/p>

4）當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可能發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并及時(shí)采取安全措施。

3.2 模擬環(huán)境測(cè)試

使用模擬工具來(lái)模擬燃?xì)庑孤┑沫h(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)能力進(jìn)行測(cè)試。

使用電子煙機(jī)、氣體濃度檢測(cè)儀、溫濕度計(jì)等儀器進(jìn)行測(cè)試，用于檢測(cè)和記錄環(huán)境參數(shù)，以評(píng)估系統(tǒng)性能。

3.3 功能測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，確保系統(tǒng)能夠按照預(yù)期來(lái)完成設(shè)計(jì)的功能。

功能測(cè)試可以從兩個(gè)方面進(jìn)行：

1）從硬件層面進(jìn)行測(cè)試，包括ESP8266 的連接、網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、傳感器的工作情況、報(bào)警設(shè)備的正常運(yùn)行等；

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

3.4 性能測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)的性能，檢查其穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、可靠性等指標(biāo)。

在基于ESP8266 的環(huán)境監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┰祈憫?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能測(cè)試方法中，我們使用壓力測(cè)試、延遲測(cè)試、可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試等技術(shù)來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)性能。壓力測(cè)試可用于測(cè)試系統(tǒng)在高并發(fā)情況下的表現(xiàn)，延遲測(cè)試可用于測(cè)試系統(tǒng)處理請(qǐng)求的速度，可靠性測(cè)試可用于測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。

3.5 安全測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)的安全性，確保系統(tǒng)能夠符合安全要求。

3.6 測(cè)試數(shù)據(jù)

本次數(shù)據(jù)采集通過(guò)利用亞克力板，搭建外部隔絕環(huán)境，每分鐘進(jìn)行1 次數(shù)據(jù)采集，共采集13 組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

圖5 效果展示

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ESP8266 的環(huán)境監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┰祈憫?yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MQ-4 氣體傳感器和MC106B感器檢測(cè)環(huán)境中的燃?xì)鈿怏w濃度，并將數(shù)據(jù)上傳到云端，當(dāng)燃?xì)鈿怏w濃度超過(guò)安全限值時(shí)，會(huì)向服務(wù)器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將報(bào)警信息傳輸?shù)桨惭b了Android 操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備上，用戶(hù)可以根據(jù)警報(bào)迅速采取措施阻止燃?xì)庑孤┦录l(fā)生。通過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而有效地保護(hù)了用戶(hù)的安全。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）