摘要：當燃氣氣體濃度超過安全限值時，會向服務器發出警報，同時將報警信息傳輸到安裝了Android操作系統的移動設備上，用戶可以根據警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發生。該系統實現了環境監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：由大學生創新創業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現和預防的，但是由于缺乏有效的監測系統，這類事件經常被忽視，造成嚴重的安全隱患。為了解決這一問題，研究者們開發了一系列的燃氣報警器，以便及時發現燃氣泄漏事件，從而保護用戶的安全。

目前，大多數燃氣報警器采用傳統的本地報警方式，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出本地報警，無法及時發現燃氣泄漏事件，并且可能會因為環境噪音而無法發出報警。另外，一些研究者也提出了基于GSM 網絡的報警系統，但是GSM 網絡的覆蓋范圍較小，報警系統的可靠性較低。

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。該系統主要由MQ-4 氣體傳感器、MC106B 傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RGBLED、ESP8266 MCU、Android 操作系統移動設備以及云端傳感器網絡組成。

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、高性能等優點。它可以實現多種不同的物聯網應用，比如室內環境監測、家庭自動化、網關設備等。環境監測燃氣泄漏云響應系統旨在監測室內燃氣水平，如果燃氣泄漏，將通過云服務及時發送警報。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 設計這樣一個系統以及它的功能和特點。

1 整體設計方案

1.1 硬件系統設計

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

圖1 主硬件模塊

1.2 溫濕度監測模塊

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℃ 的溫度數據，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送信號來檢測溫度和濕度，并將結果發送給用戶。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 氣體監測模塊設計

氣體監測模塊，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能。它具有低成本，緊湊設計，低功耗，低噪聲等優點。

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，并可以在室內環境下檢測甲烷、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、低電流消耗等優點。

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

圖3 為MC106B 的輸出信號隨環境濕度變化。

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節到所需要的電壓，以及控制電池的充放電狀態；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，燃氣濃度等環境參數。此外，OLED 還可以用來顯示搭配系統的調試信息，使用者可以查看到系統運行狀態，從而有效提升系統的可靠性和穩定性。

1.6 聲光報警設計

當監測到的燃氣濃度高出閾值，或者環境溫濕度異常時向云端發出警報信息，同時采用聲音和光學報警的方式來報警并向云端發送危險信息。當待測氣體體積分數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變化；通過控 制 LED燈與IO 口相連端的電壓來調節燈的亮滅。 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）溫濕度傳感器的驅動：編寫驅動程序，以實現對DHT11 溫濕度傳感器的控制，從而實時獲取環境中的溫度和濕度信息；

3）氣體傳感器的驅動：編寫驅動程序，以實現對MC106B 與MQ-4 對可燃氣體的濃度監測；

4）RGB LED 的驅動：編寫驅動程序，以實現對RGB LED 的控制，從而根據溫度和濕度的變化來控制顏色；

5）數據傳輸：編寫程序，實現將溫度和濕度數據通過WiFi 發送到云服務器，以便遠程控制和監測；

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，實現控制電磁閥。

2.2 云服務器的軟件設計的組成

1）網絡連接：編寫程序，以實現ESP8266 和云服務器之間的網絡連接；

2）數據接收：編寫程序，以實現從ESP8266 接收溫度和濕度數據的功能；

3）數據處理：編寫程序，實現數據的存儲、處理和可視化等功能，以便進行遠程監控和控制。

3 系統測試

3.1 構建測試環境

根據系統設計的功能，搭建1 個可以模擬燃氣泄漏的測試環境，來檢測系統的響應速度和準確性。

1）使用傳感器測量環境中的變量，包括溫度、濕度、空氣質量、空氣壓力、氣體濃度等，并對數據進行實時采集；

2）使用ESP8266 將采集到的數據上傳到云端，并實時監測燃氣泄漏情況；

3）在云端進行數據分析，根據環境的變化，判斷是否有燃氣泄漏的可能；

4）當發現有可能發生燃氣泄漏時，及時發出報警信號，并及時采取安全措施。

3.2 模擬環境測試

使用模擬工具來模擬燃氣泄漏的環境，對系統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，用于檢測和記錄環境參數，以評估系統性能。

3.3 功能測試

測試系統的各個功能模塊，確保系統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，包括系統的通信性能、數據的收集、存儲、處理、上傳等功能的正常運行。

3.4 性能測試

測試系統的性能，檢查其穩定性、響應速度、可靠性等指標。

在基于ESP8266 的環境監測燃氣泄漏云響應系統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性能。壓力測試可用于測試系統在高并發情況下的表現，延遲測試可用于測試系統處理請求的速度，可靠性測試可用于測試系統的可靠性。

3.5 安全測試

測試系統的安全性，確保系統能夠符合安全要求。

3.6 測試數據

本次數據采集通過利用亞克力板，搭建外部隔絕環境，每分鐘進行1 次數據采集，共采集13 組數據，見表1。

圖5 效果展示

4 結束語

本文提出了一種基于ESP8266 的環境監測燃氣泄漏云響應系統，該系統利用MQ-4 氣體傳感器和MC106B感器檢測環境中的燃氣氣體濃度，并將數據上傳到云端，當燃氣氣體濃度超過安全限值時，會向服務器發出警報，同時將報警信息傳輸到安裝了Android 操作系統的移動設備上，用戶可以根據警報迅速采取措施阻止燃氣泄漏事件發生。通過測試，該系統能夠實現實時響應，從而有效地保護了用戶的安全。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）