基于NodeMcu的無線WiFi煤氣報警器的設(shè)計

白創(chuàng)+殷國豪+周丹+王長杰+肖連花+冷彬心

摘要：針對傳統(tǒng)的煤氣報警器不可遠(yuǎn)程報警的缺陷，設(shè)計了一種基于NodeMcu的煤氣報警系統(tǒng)。該裝置利用NodeMcu單片機實施總控，通過MQ-5可燃?xì)怏w傳感器對煤氣濃度進行檢測，將檢測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C，由單片機對其進行處理，得出具體濃度值，如超過預(yù)設(shè)值則發(fā)出報警信號， 最后通過NodeMcu上自帶的ESP8266 wifi 模塊發(fā)送報警信號到樂為物聯(lián)官網(wǎng)上創(chuàng)建的帳號內(nèi)以及樂為物聯(lián)的微信公眾號，用戶就可以通過網(wǎng)頁或者公眾號平臺就可以獲取濃度信息。實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線濃度的傳輸、顯示與報警。通過測試，裝置每隔10秒發(fā)送一次濃度信息，當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)值時，裝置立刻發(fā)送短信以及微信雙重報警信息，以及時提醒用戶潛在危險的存在。經(jīng)測試，煤氣濃度的測量范圍為0—10000ppm，精度為1ppm。

關(guān)鍵詞：煤氣報警器；MQ-5可燃?xì)怏w傳感器；NodeMcu；樂為物聯(lián)

一、煤氣報警系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由煤氣濃度檢測模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、ESP8266WIFI模塊以及連接到互聯(lián)網(wǎng)的PC、智能手機等終端設(shè)備。MQ-5傳感器檢測空氣中的煤氣濃度，經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集進入NodeMcu。NodeMcu實時發(fā)送濃度數(shù)據(jù)給用戶帳號，在微信公眾號平臺以及樂為物聯(lián)官網(wǎng)上顯示實時濃度值。根據(jù)實時濃度與預(yù)設(shè)安全濃度范圍比較，判斷是否超出正常范圍，若超出，則本地蜂鳴器發(fā)出報警聲，單片機發(fā)出報警短信以及微信報警信息，并立刻自動關(guān)閉電磁閥。解決了煤氣報警器不能遠(yuǎn)程監(jiān)控的缺陷，并使報警儀器與智能設(shè)備連接，通過微信平臺在手機上實時顯示，相當(dāng)于只要人們手機上有微信，就能人人攜帶一個報警裝置。大大降低了成本。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）硬件選型以及設(shè)計要點

MCU選取NodeMCU作為控制核心，NodeMcu是一款運行于樂鑫ESP8266芯片之中的可編程固件。它以lua語言為基礎(chǔ)，同時提供了封裝esp8266硬件操作的高級API，可以讓開發(fā)者以類似于arduino的方式與底層硬件打交道，使軟件開發(fā)人員輕松操作硬件設(shè)備同時NodeMcu還提供了事件驅(qū)動型的網(wǎng)絡(luò)API，Nodejs風(fēng)格的編程方式更是讓互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員如魚得水。

利用MQ-5氣體傳感器實現(xiàn)對空氣中的可燃?xì)怏w的檢測，MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-5具有探測范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、穩(wěn)定性能好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等特點，從而被廣泛用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、氫氣、人工煤氣等的探測，其探測范圍為300～10000ppm。

（2）硬件功能以及數(shù)據(jù)處理

對esp8266封裝模塊ESP12進行擴展，D1～D10：均可復(fù)用為GPIO，PW12C，1-Wire；A0：1路ADC；USB供電；USB轉(zhuǎn)串口調(diào)試接口。除此之外還有電源引腳，GND，EN等等。該系統(tǒng)用到了A0引腳，A0引腳為NodeMcu A/D的輸入端，與MQ-5的A0模擬輸出端相連，實現(xiàn)煤氣濃度數(shù)據(jù)的采集。

因為購買的MQ-5模塊上的負(fù)載電阻是可調(diào)的，為了使測量范圍最大，將電阻調(diào)至1K，在excel上輸入幾個樣點數(shù)據(jù)，得到曲線對應(yīng)的函數(shù)。y=8.1421x4+563.89x3-1077.5x2+1285.1x-195.11，其中，Y為濃度（ppm），X為MQ-5的A0輸出電壓。nodemcu的自帶的A/D為10位的，MQ-5采集到的數(shù)字量傳入nodemcu后，經(jīng)過處理得到電壓值，公式為X=adc.read（0）*3.3/1024，得到采集到的電壓值，再代入上面的公式處理得到濃度值。

三、軟件設(shè)計

單片機上電之后， 系統(tǒng)首先初始化，ESP8266模塊連接上WIFI，然后發(fā)送序列號，安全秘鑰連接上樂為物聯(lián)帳號，與相應(yīng)傳感器綁定；MQ-5可燃?xì)怏w傳感器檢測空氣中的煤氣濃度，濃度值的變化引起電導(dǎo)率變化，電導(dǎo)率通過電路轉(zhuǎn)換為與該濃度對應(yīng)的輸出信號，通過A0端口將信號發(fā)送給NodeMcu的A0端口，A/D接收到模擬信號，將數(shù)據(jù)代入程序中的公式計算得到相應(yīng)的濃度值；將濃度值通過ESP8266WIFI模塊發(fā)送到樂為物聯(lián)的賬號上，此時進行濃度是否正常的判斷，將濃度值與在樂為物聯(lián)官網(wǎng)上預(yù)設(shè)的安全濃度范圍進行比較，若超過范圍，則通過WIFI模塊向樂為物聯(lián)帳號發(fā)送微信報警信息，并同時發(fā)送短信報警信息通知用戶；并且本地蜂鳴器立刻發(fā)出報警聲，自動關(guān)閉安裝在煤氣開關(guān)口的二重保護開關(guān)電磁閥。若未超出正常范圍，此時在PC上進入樂為物聯(lián)官網(wǎng)登錄帳號或者登錄樂為物聯(lián)微信公眾號平臺，即可看到濃度的實時曲線。

四、實驗測試及結(jié)果

為了達到測試系統(tǒng)能測量的濃度范圍，我們將點燃的紙巾生成的一氧化碳作為測量物來代替煤氣，避免安全事故的發(fā)生。在測試過程中，用NodeMcu上的LED燈代替蜂鳴器和電磁閥。

首先用戶用USB給NodeMcu供電，觀察到NodeMcu上ESP8266模塊的藍(lán)燈閃爍一下，證明初始化完畢，打開電腦的WIFI軟件，觀察到有一個設(shè)備連入，說明NodeMcu連接WIFI成功。

我們將一張紙巾點燃，然后將產(chǎn)生的一氧化碳靠近傳感器，平臺上的最新濃度值立刻增大為182ppm，并顯示為黃色，說明超過了正常值范圍。在15：58：43時，煤氣濃度增大到了182ppm，此時，NodeMcu上的LED立刻亮起，微信馬上收到報警信息，短信也立刻發(fā)送到手機上。

測試結(jié)果：測量數(shù)據(jù)表明，煤氣濃度與MQ-5輸出電壓關(guān)系函數(shù)符合正常情況，正常情況下測量的煤氣濃度值也符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)濃度值超過預(yù)設(shè)的0—25ppm后，本地會立刻發(fā)起報警，也即本實驗測試的LED燈亮起，報警信息也會立刻發(fā)出，用戶能馬上收到信息，并能及時趕回家中處理。

五、實驗結(jié)論

使用無線通信的報警器，使得攜帶更為方便，處理問題也更加高效，在手機上能實時查詢當(dāng)前室內(nèi)煤氣濃度，還可在官網(wǎng)查詢數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)的對比，以驗證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。整個報警系統(tǒng)的總成本在30塊錢左右，大大低于市面上的報警器價格，整個報警器所占空間很小，既降低了成本，又節(jié)省了空間，再加上便捷的攜帶與查詢方式，使得整個設(shè)計具有較好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：殷國豪，2014級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究；

通訊作者：白創(chuàng)，講師，主要從事超大規(guī)模集成電路設(shè)計與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究。