基于機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺+STM32的瓦斯監(jiān)測控制管理系統(tǒng)

本項目由吉林建筑大學(xué)何冬雪、岳俊華開發(fā)設(shè)計完成，該基于單片機的瓦斯監(jiān)測控制系統(tǒng)，其硬件主要由 STM32 單片機、甲烷氣體傳感器、溫濕度傳感器、Wi-Fi 模塊、蜂鳴器報警電路模塊、控制電路及顯示電路模塊等組成。 系統(tǒng)以單片機為核心，能夠?qū)崟r檢測到煤礦中的有毒氣體，當(dāng)有害氣體的濃度超標(biāo)時，蜂鳴器會發(fā)生聲音進(jìn)行報警提醒工作人員撤離，并開啟繼電器控制風(fēng)扇排氣，增加空氣流通；還結(jié)合溫濕度傳感器采集煤礦的環(huán)境，實現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)的采集與設(shè)定閾值對比后，并通過蜂鳴器報警。同時結(jié)合 Wi-Fi 模塊實現(xiàn)機智云電腦端頁面顯示和控制，最后還能夠通過有機發(fā)光二極管顯示屏顯示。

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引 言

隨著科技的日益進(jìn)步，人們對能源的需求不斷增加。在中國的基本能源中，煤炭的重要性是無可比擬。然而煤炭開采過程中煤礦瓦斯爆炸事故頻繁發(fā)生，對人們的生命安全和經(jīng)濟財產(chǎn)造成了巨大損失。近年來，隨著電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，中國的一些研究機構(gòu)和廠家推出了各種各樣的監(jiān)控系統(tǒng)，紛紛加大了對煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究、開發(fā)投入，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、可靠性也在逐步提升，在煤礦安全生產(chǎn)過程中發(fā)揮不可忽視的重要作用。

針對上述情況，本文設(shè)計出這一款基于 STM32 單片機煤礦瓦斯監(jiān)測控制管理系統(tǒng)，包括甲烷氣體傳感器電路、溫濕度傳感器電路、Wi-Fi 模塊電路、報警電路、繼電器控制電路及顯示電路。 STM32 單片機作為核心，具有監(jiān)測煤礦礦井溫濕度、瓦斯?jié)舛?a target="_blank">參數(shù)的功能，并具有瓦斯?jié)舛瘸迗缶δ?；具有自動強制通風(fēng)功能：采集數(shù)據(jù)可通過液晶屏顯示。監(jiān)控數(shù)據(jù)和告警信息可以通過 Wi-Fi 模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程機智云云端。

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系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路
本次設(shè)計的主要核心是機智云平臺對煤礦瓦斯安全環(huán)境的監(jiān)控，使用移植機智云 GAgent 的 Wi-Fi / GPRS 模組建立橋梁，使煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與機智云互聯(lián)互通。煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)與機智云數(shù)據(jù)交互圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交互圖2.2總體方案設(shè)計

煤礦瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)涉及的主要硬件設(shè)備有單片機最小系統(tǒng)控制電路、瓦斯氣體采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、蜂鳴器報警模塊、有機發(fā)光二極管 顯示模塊、繼電器自動化控制模塊和 Wi-Fi 無線通信模塊。 這幾大模塊共同組成了煤礦瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要功能實現(xiàn)如下：

運用有毒氣體傳感器，檢測煤礦有害氣體濃度（比如瓦斯、一氧化碳等）是否超標(biāo),當(dāng)檢測到有毒氣體超標(biāo)，開啟排風(fēng)口排有毒氣體，同時開啟蜂鳴器警報報警，開啟工作人員安全撤離，保障工作人員的安全。

運用溫濕度傳感器，采集當(dāng)前煤礦環(huán)境的溫濕度值。當(dāng)溫濕度值超過設(shè)定的閾值時，開啟風(fēng)扇散熱排濕，實現(xiàn)煤礦工作環(huán)境的穩(wěn)定。

運用光敏傳感器，采集煤礦工作的光強環(huán)境。

OLED 液晶屏幕顯示煤礦環(huán)境溫濕度值、瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

• 手機 App 機智云頁面的監(jiān)控。采用 Wi-Fi 模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸在手機 App 端顯示監(jiān)控以及控制。手機 App 端可以顯示采集的數(shù)據(jù),還可以控制瓦斯?jié)舛葓缶y值，系統(tǒng)方框圖如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)方框圖

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系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計1）單片機最小系統(tǒng)介紹

單片機最小系統(tǒng)一般由下載電路、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和單片機芯片組成,也是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運轉(zhuǎn)的最小電路原理圖?？梢哉f,每個項目設(shè)計的每一個系統(tǒng)都離不開這幾個電路的支撐，其外設(shè)各種功能都是在此基礎(chǔ)上開發(fā)。

晶振電路

本設(shè)計采用的是外接晶振電路：本晶振電路有兩個電容和一個晶振源組成，兩個無極電容的主要作用是消除晶振源產(chǎn)生干擾電感的阻抗。晶體振蕩器在系統(tǒng)電路中主要起著產(chǎn)生振蕩頻率的作用，可以說所有的系統(tǒng)電路都離不開時序的頻率驅(qū)動，這是一種有序的時序邏輯電路，比喻為單片機的心臟也不為過，起著至關(guān)重要的作用，而晶振的頻率主要采用 12 M，可以根據(jù)單片機需求進(jìn)行鎖相環(huán)分頻，至高能達(dá)到 72 MHz。

復(fù)位電路

剛開始系統(tǒng)上電時給電容充電，此時的電阻和電容之間會形成高電壓，所以單片機的RST 復(fù)位引腳是高電平，當(dāng)按鍵 S2 被按下后,此時的電阻和電容之間會形成低電壓,單片機復(fù)位引腳 RST 是低電平狀態(tài)，處于這個狀態(tài)超過兩個機器周期，單片機就會進(jìn)行程序初始化(復(fù)位)。

2）甲烷氣體傳感器電路

甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測電路是整個系統(tǒng)電路的核心組成部分之一，核心部件 MQ-5 有毒氣體傳感器，具有靈敏度高、壽命長、穩(wěn)定性好、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，所以常用于家庭、工廠和公共場所的氣體安全檢測。而且 MQ-5 不僅能檢測甲烷，還能檢測氫氣、苯、天然氣等氣體的探測。所以相對準(zhǔn)確地說，MQ-5 是個多種氣體檢測傳感器。

3）溫濕度傳感器電路

本次設(shè)計采用 DHT11 溫濕度傳感器模塊采集煤礦的溫濕度。DHT11 溫濕度傳感器是一種能夠自行測量溫度和濕度的復(fù)合型元器件，也是一種能夠自行校準(zhǔn)數(shù)字信號并且串行輸出的傳感器。其中濕度能夠檢測的范圍 20% ~ 90% RH，溫度為 0 ~ 50 ℃ ，濕度的精確度在 ±5% RH，誤差較大點，溫度精確度在±2 ℃ 左右，精確度較高。

4）蜂鳴器電路

蜂鳴器電路連接在三極管基極和單片機 PB12 的電阻主要起到限流的保護(hù)作用，工作原理是只要單片機 PB12 端口輸出低電平至三極管基極，集電極與發(fā)射極超過0. 7 V 的導(dǎo)通電壓，三極管被導(dǎo)通,有較大的電流經(jīng)過三極管，蜂鳴器機會進(jìn)行報警，此處用于煤礦有毒氣體超標(biāo)時和溫濕度值過大時就會進(jìn)行警報。

5）顯示模塊電路

屏幕的電路設(shè)計采用的是一種 IIC 接口，該類型接口連接單片機的接口只需要 4 根腳連接，SCL 是時鐘接口, VCC 接電源，SDA 是數(shù)據(jù)接口，GND 接地。簡而言之，兩根數(shù)據(jù)線就可顯示內(nèi)容。IIC 是一種通信接口協(xié)議，通信協(xié)議中有起始信號、終止信號、應(yīng)答和非應(yīng)答四個信號。

6）繼電器控制電路

因為單片機的 I / O 口驅(qū)動能力有限，所以需要加裝一個繼電器模塊以小電流控制大電流進(jìn)行驅(qū)動。由于本次設(shè)計需要用到風(fēng)扇散熱、有毒氣體排氣、排濕自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，所以需要1 個繼電器模塊接口。

繼電器模塊工作原理簡介：

PC1 當(dāng)輸入高電平時，三極管Q2 處于飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點吸合。

PC1 當(dāng)輸入低電平時，三極管Q2 處于截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。

7）Wi-Fi 模塊電路無線通信控制采用 Wi-Fi 來控制，通過無線控制的信號傳輸方式來設(shè)定瓦斯報警濃度的閾值，Wi-Fi 控制的特點是成本較低，傳輸速度快，穩(wěn)定性強，集成度高，操作也簡單，用串口進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)傳輸即可。所以此次設(shè)計中采用 ESP8266 Wi-Fi 連接系統(tǒng)，確保能夠與機智云平臺進(jìn)行通信，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的一個相關(guān)控制。即對瓦斯有毒氣體進(jìn)行一個遠(yuǎn)程的監(jiān)控（機智云監(jiān)控）。3.2 軟件程序設(shè)計

本設(shè)計采用的是 Keil5 軟件，目前最主流編程軟件。功能強大：提供了 C 語言編譯器、連接器、宏匯編、庫函數(shù)管理功能，還能在線調(diào)試和仿真。

1）主控制程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入主程序之前循環(huán)之前，需要先對各個模塊的程序進(jìn)行初始化，模塊初始化主要包括 MQ-5 甲烷氣體傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、OLED 顯示屏等，重新初始化可以復(fù)位系統(tǒng)電路，并獲取傳感器初始化狀態(tài)。初始化完成后，主程序會對 MQ-5 有毒氣體傳感器實時采集有毒氣體、DHT11 溫濕度傳感器采集溫濕度、 OLED 屏幕實時更新顯示等，將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的對比后，作出相應(yīng)的緊急判斷，最后通過 Wi-Fi 上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)手機 App 端機智云的監(jiān)控，從而實現(xiàn)煤礦瓦斯安全監(jiān)測等自動化操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2）電子電路設(shè)計

本設(shè)計的硬件制作原理圖主要使用 Altium Designer這款軟件進(jìn)行制作。此款軟件可以漢化支持中文顯示，使用比較的方便,功能強大齊全，設(shè)計上比較的簡單，對電子電路開發(fā)有著一整套的電路開發(fā)系統(tǒng)，適宜電子愛好者的設(shè)計與開發(fā)，在網(wǎng)上學(xué)習(xí)資料也比較的齊全。

以下是設(shè)計操作的幾個主要步驟：

步驟一：打開軟件運行后創(chuàng)建文件。新工程需要選創(chuàng)建工程文件，然后保存命名為“ 單片機的煤礦瓦斯監(jiān)測控制管理系統(tǒng)的設(shè)計與研究”。

步驟二：在工程項目中創(chuàng)建原理圖，對一些需要用到的元器件進(jìn)行庫增加，在庫元件中找到自己設(shè)計所需要的元器件推拽出來，然后對元器件進(jìn)行正常的連接與布局。

步驟三：完成以上的步驟后，最終可以得到完整的煤礦瓦斯監(jiān)測控制管理系統(tǒng)。電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 電路原理圖

3.3 數(shù)據(jù)自動采集與監(jiān)測機智云是一個致力于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的開發(fā)平臺。機智云云平臺主要專注于物聯(lián)網(wǎng)硬件上的智能云服務(wù)和解決方案，是行業(yè)的長期努力，是對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的深刻改造，為個人和企業(yè)開發(fā)者提供一站式智能硬件開發(fā)和云服務(wù)平臺。該平臺提供從定義的產(chǎn)品、設(shè)備端開發(fā)和調(diào)試、應(yīng)用程序開發(fā)、生產(chǎn)測試、云開發(fā)、運營管理和數(shù)據(jù)服務(wù)訪問到運營管理的智能硬件訪問，以實現(xiàn)服務(wù)的全生命周期。機智云平臺為開發(fā)人員提供自助的智能硬件開發(fā)工具和開放的云服務(wù)。通過簡單的自助工具，完善的 SDK 和API 服務(wù)功能，最大限度地降低物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻，降低開發(fā)人員的成本，提高開發(fā)人員的產(chǎn)品生產(chǎn)速度，智能升級開發(fā)人員，更好地連接和服務(wù)最終消費者。

本設(shè)計中借助機智云平臺，通過 Wi-Fi 模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對瓦斯氣體采集并上傳至機智云的功能，本設(shè)計機智云設(shè)備訪問的基本過程如圖 5 所示。

圖5 機智云設(shè)備訪問圖

開發(fā)順序步驟如下：

步驟一：注冊并登錄機智云開發(fā)者賬號。在使用機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)之前，需要先注冊一個開發(fā)者賬號。

步驟二：創(chuàng)建產(chǎn)品。在開發(fā)者中心點擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品” 后輸入產(chǎn)品名稱以及選擇對應(yīng)設(shè)備接入方案即可完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建。 * 點擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”；

* 輸入產(chǎn)品名稱與選擇設(shè)備接入方案；

* 創(chuàng)建數(shù)據(jù)點，點擊“ 新建數(shù)據(jù)點”，添加開關(guān)機數(shù)據(jù)點；

* 下載云端自動生成的協(xié)議。

步驟三：設(shè)備與應(yīng)用開發(fā)。在設(shè)備端訪問設(shè)計中，把單片機設(shè)備采集的信息通過編寫智能云連接協(xié)議 GAgent 的網(wǎng)絡(luò)模塊，即可通過智能云平臺 Wi-Fi 模塊無線通信實現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)和智能。通過 Wi-Fi 模塊連接到智能云平臺，實現(xiàn) App 通過云控制智能設(shè)備。步驟四：調(diào)試產(chǎn)品。產(chǎn)品開發(fā)完成后，單片機系統(tǒng)數(shù)據(jù)在調(diào)試過程中，開發(fā)和調(diào)試設(shè)備將連接到 Wisdom Cloud Sandbox 服務(wù)器( 測試服務(wù)器)，將采集的電壓值進(jìn)行顯示在對應(yīng)的界面，并且可以進(jìn)行控制充電開啟以及關(guān)閉。

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總 結(jié)

本文設(shè)計的基于單片機的煤礦瓦斯監(jiān)測控制管理系統(tǒng)，以單片機為核心，通過傳感器將井下瓦斯?jié)舛葌鹘o單片機，單片機經(jīng)過處理，判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯瑯?biāo)。當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時，會發(fā)出聲光報警，開啟繼電器控制風(fēng)扇進(jìn)行空氣濃度調(diào)節(jié)，直至濃度降到設(shè)定值以下。 通過 Wi-Fi 模塊傳輸?shù)綑C智云端，還能在 OLED 顯示屏顯示，便于工作人員查看和控制，能夠防止和避免事故發(fā)生，保證井下工作人員的安全。