DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2020.06.005 基于物联网的家庭燃气监控系统 彭高洁 1，龙  馨 2，龙光利 1 （1. 陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001；2. 陕西理工大学 管理学院，陕西 汉中 723001） 摘  要 ：针对忘记关闭燃气阀门导致天然气泄露，从而发生失火事故、爆炸使人窒息、死亡等问题，设计了一 种基于物联网的家庭燃气监控系统。利用传感器采集室内的温度、可燃气体浓度等数据，实现节点的有效信息采集， 然后将这些数据发送给 STM32 单片机 ；STM32 根据设定好的报警阈值对获得数据进行处理、判断 ；当数据超过报 警阈值时输出控制信号，控制阀门的开闭，同时还可通过 ZigBee 传输模块将数据发送到汇聚节点 ；汇聚节点将数 据打包后传输给终端系统，实现节点设备和终端系统之间的有效通信，与对家用燃气进行动态监控和对燃气流量使 用情况的实时观察，同时还可远程操控关闭阀门。 关键词 ：物联网 ；传感器 ；燃气监控 ；ZigBee ；远程操控 ；通信 中图分类号 ：TP277 文献标识码 ：A 文章编号 ：2095-1302（2020）06-0020-02 0 引 言 随着当今时代信息技术的飞速发展，物联网技术的使用 已普及到社会领域的方方面面，智能家居也逐渐走进千家万 户，成为生活必需品。在这种发展趋势下，智能厨房也将成 为居家做饭、日常生活的必需设施。近年来，国内燃气管网 的规模逐步扩大，不论是家用炒菜还是供暖，都为人们的生 活带来了很大便利，使人们生活的质量得到了明显提高。但 同时也带来了诸多问题，比如偶尔忘记关闭燃气阀门导致天 然气泄露，从而发生失火事故、爆炸，甚至使人窒息、死亡。 由于人们居住环境以及家庭燃气表功能和特点不同，导致燃 气安全监控设施相关的投入存在明显差异，而天然气使用的 一大难题就是泄露问题，如果家庭内燃气发生泄漏，将造成 严重的后果。考虑到燃气在接触到明火会发生火灾，给居民 的人身财产安全造成难以挽回的损失，因此我国政府相关部 阈值对获得的数据进行处理判断，当数据超过报警阈值时输 出控制信号，控制阀门的开关，并且将数据通过 ZigBee 无 线传输给终端系统。终端系统通过传输网络响应，对接收的 数据包进行适当处理，实现节点设备和终端之间的有效通 信。可在用户终端（即 PC 端或手机 APP 端）查看相关数 据，或在终端发出指令，通过 ZigBee 传送至 STM32 单片机， 令 STM32 发生动作，实现远程控制。设计的主机原理如图 1 所示。 图 1 主机原理框图 门一直都在完善和加强关于燃气安全使用的监管工作。针对 2 硬件设计 燃气监管技术以及相关治理工作存在的问题，需要采取与时 俱进的科学监管方法。本文所提的方法能够实现对家用燃气 的动态监控和对流量使用情况的实时观察，同时还可以远程 操控关闭阀门。 1 设计方案 通过温度传感器采集室内温度、MQ-5 气体传感器采集 可燃气体浓度等数据，实现节点的有效信息采集，然后将这 些数据发送给 STM32 微处理器，STM32 根据设定好的报警 收稿日期：2019-12-23 基金项目：陕西理工大学大学生创新创业训练计划项目（2019122） 修回日期：2020-01-22 20 本设计主要由无线传输模块、电源模块、传感器数据采 集模块、蜂鸣器报警模块、LCD 显示模块等组成。 2.1 无线数据传输模块 燃气属于易燃易爆气体，当今存在的燃气监测系统大都 采用有线传输方式 [1]，但该方法存在许多安全隐患。一些旧 的燃气管理公司主要依赖劳动力、财力以及物力的大量投入 完成入户安检等各项工作，不仅工作效率低下，还不能实时 监控燃气安全状态 [2]。所以现存的部分燃气监控系统已无法 匹配当今信息化时代的要求，因此日趋成熟的 ZigBee 无线 技术成为目前应用的首要选择，它原理简单、易于使用、稳 定高效、安全性高，且维护成本相对更低。 物联网技术 2020年 / 第6期 全面感知 Comprehensive Perception

系 统 基 于 ZigBee 技 术 进 行 无 线 传 输， 是 基 于 IEEE 802.15.4 无线标准研发的一种低速短距离网络拓扑技术。系 统采用 ZigBee 模块，以 CC2530 为内核。CC2530 具有低功 耗的特点，在无数据传输时，耗电量微乎其微，一旦有中断 挂起又可以快速传输数据。 2.2 数据采集模块 MQ-5 可燃气体检测传感器所使用的气敏材料是在清洁 空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）[3]。系统设计中加入 MQ-5，当有燃气泄漏时，燃气浓度会随着时间增加而升高， MQ-5 的电导率也因此增加。然后通过数模转换电路将变化 转换为与燃气浓度相对应的数字信号。该传感器可以检测多 种可燃性气体，成本较低 [4]。 DHT11 数字温湿度传感器是一种含有已校准数字信号输 出的温湿度复合传感器。DHT11 通过传感技术采集当前室内 的温度及湿度数据值，反馈给 STM32 微处理器，然后经相 关电路使相关数据呈现在 LCD 显示屏上，同时利用无线通 信发送至终端系统。 MQ-5 可燃气体传感器和温度传感器的 STM32 微处理器 接收到数据后检测、判断数据是否超过设定的预警阈值，若 超过，则 STM32 微处理器发出指令，使报警模块工作，并 自动控制燃气阀门关闭。 3 系统软件设计 3.1 系统主程序 主程序流程如图 2 所示。 图 2 主程序流程 首 先 对 STM32 微 处 理 器（MCU） 进 行 初 始 化， 如 果 STM32 有触发事件，则判断是否为数据接收事件，如果不是， 则对其进行中断处理 ；如果是数据接收事件，那么进行预警 值阈值判断。若检测到温度值或燃气浓度值超过所设定的预 警阈值则启动报警模块，报警结束后进入等待事件状态。 3.2 ZigBee 组网流程 组网流程主要是进行程序初始化，通过按键设定设备的 逻辑类型，然后复位。复位后启动协议栈，判断协议栈是否 启动成功，如果失败，触发 START_EVT 事件继续启动协议栈， 直到协议栈启动成功。之后把协调器设置成允许其他节点自 动加入网络模式，建网成功 [5]。ZigBee 建网流程如图 3 所示。 图 3 ZigBee 建网流程 4 结 语 该系统设计采用 CC2530 芯片，基于物联网技术对燃气 的使用情况进行无线传输 [6]，实时掌握待测燃气节点的温度、 可燃气体浓度、流量使用等数据，弥补了之前有线监控的不 足。系统可实现智能报警，在应用到智能家居的同时，也可 以通过布设传感器节点应用到厂区等场所，在大大降低监管 成本的同时加强对相关安全系数的监管和企业经营效率的提 升。综合来看，该系统适用于家庭燃气监控，满足了人们的 日常需要 [7]。从更长远的角度来看，该系统可以提高城市的 燃气监控系统水平，从而保证燃气的安全可靠供给。 参 考 文 献 [1] 邓金伟，段吉忠，曹荀 . 基于物联网技术的城市燃气监控系统研 究设计 [J]. 石油化工自动化，2015，51（4）：30-33. [2] 刘勋 . 基于 RFID 和物联网技术的燃气安全管理系统 [J]. 建设科技， 2017（16）：17-18. [3] 李静，陈金元，徐冰 . 基于 MSP430 单片机的宿舍智能防盗防火 报警系统设计 [J]. 自动化技术与应用，2014，33（1）：103-106. [4] 顾宇峰 . 基于 PLC 控制的学校宿舍抽烟监控器的设计 [J]. 科学大 众（科学教育），2014（9）：110-111. [5] 邹丽 . 基于 ZigBee 技术的智能家居无线网络设计与实现 [D]. 武汉： 华中师范大学，2011. [6] 董乐 . 基于无线网络的智能家居系统网络节点和网关的设计与实 现 [D]. 天津：天津工业大学，2010. [7] 桑培勇 . 居民小区无线火灾报警系统的研究与设计 [D]. 淮南：安 徽理工大学，2014. （下转第 25 页） 21 2020年 / 第6期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception

表 1 车牌识别系统识别结果 识别车牌 鲁 W 22789 桂 A Y5299 桂 A V6388 吉 A T4578 桂 A Y5299 冀 F 0F378 桂 A C3692 吉 A 21305 吉 A D5187 京 H E5163 闽 D 777CS 闽 D N228F 闽 D Y599S 闽 C G1E31 闽 D P069S 闽 D X8H22 识别情况 成功识别 成功识别 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 字符分割出错 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别用时 /s 2.813 47 2.115 75 2.798 55 2.030 39 2.001 76 3.143 74 6.577 57 2.352 03 2.512 82 — 3.957 63 3.821 79 5.422 47 3.965 82 4.750 46 7.999 83 识别车牌 琼 A L6557 桂 A F2830 冀 F 5A8D9 桂 E AS111 闽 D C372S 桂 A M5881 京 F V8608 闽 D 1725S 闽 D 9358J 桂 A F2830 闽 D Q0133 闽 D D2L80 闽 D BV635 闽 D 9169Q 闽 D K693A 闽 D N9T01 识别情况 识别成功 识别成功 0 识别成 D 识别成功 识别成功 识别成功 定位出错 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别成功 识别用时 /s 2.199 59 1.222 5 5.278 48 2.684 36 3.642 93 2.639 42 — 4.979 11 4.517 83 2.184 23 6.671 95 6.605 06 4.934 08 6.603 88 5.198 63 4.449 92 （2）在车牌字符定位时，若边框过大将导致二值化后的 左边框存在很多非字符的黑色长条区域，在分割字符时将其 错误的识别为第一块字符区域。 参 考 文 献 [1] DUAN T D，DU T L H，PHUOC T V，et al. Building an automatic vehicle license plate recognition system [C]// Proc.Int.Conf.Comput. Sci.RIVF.2005：59-63. [2] 刘庆祥，蒋天发 . 智能车牌识别系统中图像获取技术的研究 [J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003，27（1）：127- 130. [3] 彭玲玲，任占广，周勤 . 基于 MATLAB 的车牌识别系统研究 [J]. 电子制作，2017（22）：17. [4] 贾晓丹，李文举，王海姣 . 一种新的基于 Radon 变换的车牌倾斜 校正方法 [J]. 计算机工程与应用，2008（3）：245-248. [5] 陈超 .MATLAB 应用实例精讲：图像处理与 GUI 设计篇 [M]. 北京： 电子工业出版社，2011：86-87. [6] 孟祥兴，宋宇飞，顾桥磊 . 基于 OpenCV 和嵌入式的工业图像检 测系统 [J]. 物联网技术，2018，8（10）：106-107. [7] 雷剑锋，汪伟 . 基于 OpenCV 的图像阈值分割研究与实现 [J]. 现 代电子技术，2013，36（24）：73-76. [8] 张学贺，张学东，丁宁 . 基于 OpenCV 的运动目标检测与跟踪 [J]. 辽宁科技大学学报，2010（5）：490-494. [9] 尹俊超，刘直芳 . 基于 OpenCV 的运动目标检测与跟踪 [J]. 计算 机工程与设计，2011（8）：2817-2820. [10] 林启亮 . 基于 OpenCV2.x 的车牌识别系统设计与实现 [D]. 厦门： 厦门大学，2013. 作者简介： 林 云（1990—），男，福建福清人，硕士研究生，助教，研究方向为机器学习、自然语言处理和移动端能 耗优化。 （上接第 21 页） [8] 余俊峰，刘奔，程鑫 . 基于 LoRa 与 NB-IoT 的城市地下燃气泄漏 件工程，2017（16）：52-53. 监测系统研究 [J]. 物联网技术，2019，9（2）：17-19. [10] 赵志平 . 基于物联网技术的城市燃气监控系统研究设计 [J]. 数字 [9] 高鹤 . 基于物联网云平台的家庭安防监控系统 [J]. 电子技术与软 通信世界，2017（4）：28-29. 作者简介： 彭高洁（1998—），女，本科。 龙 馨（1998—），女，本科。 龙光利（1968—），陕西南郑人，教授，研究方向为无线通信与电子技术应用。 25 2020年 / 第6期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception