基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的瓦斯監(jiān)測(cè)管理

設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，其硬件主要由STM32單片機(jī)、甲烷氣體傳感器、溫濕度傳感器、Wi-Fi模塊、蜂鳴器報(bào)警電路模塊、控制電路及顯示電路模塊等組成。

以單片機(jī)為核心，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到煤礦中的有毒氣體，當(dāng)有害氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)生聲音進(jìn)行報(bào)警提醒工作人員撤離，同時(shí)開(kāi)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(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)的采集與設(shè)定閾值對(duì)比后，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)結(jié)合Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)智云電腦端頁(yè)面顯示和控制，最后還能夠通過(guò)有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏顯示。

引言

隨著科技的日益進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求不斷增加。在中國(guó)的基本能源中，煤炭的重要性是無(wú)可比擬的。然而煤炭開(kāi)采過(guò)程中煤礦瓦斯**事故頻繁發(fā)生，對(duì)人們的生命安全和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)的一些研究機(jī)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(duì)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究、開(kāi)發(fā)投入，煤礦安全監(jiān)測(cè)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(guò)程中發(fā)揮不可忽視的重要作用。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)出這一款基于STM32單片機(jī)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)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(bào)警電路、繼電器控制電路及顯示電路。STM32單片機(jī)作為核心，具有監(jiān)測(cè)煤礦礦井溫濕度、瓦斯?jié)舛葏?shù)的功能，并具有瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警功能；具有自動(dòng)強(qiáng)制通風(fēng)功能；采集數(shù)據(jù)可通過(guò)液晶屏顯示。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和告警信息可以通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程機(jī)智云端。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)的主要核心是機(jī)智云平臺(tái)對(duì)煤礦瓦斯安全環(huán)境的監(jiān)控，使用移植機(jī)智云GAgent的Wi-Fi/GPRS模組建立橋梁，使煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與機(jī)智云互聯(lián)互通。煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與機(jī)智云數(shù)據(jù)交互圖如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)交互示意圖

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的主要硬件設(shè)備有：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(bào)警模塊、有機(jī)發(fā)光二極管(organiclight-emittingdiode,OLED)顯示模塊、繼電器自動(dòng)化控制模塊和Wi-Fi無(wú)線通信模塊。這幾大模塊共同組成了煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要功能實(shí)現(xiàn)如下。

（1）運(yùn)用有毒氣體傳感器，檢測(cè)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(cè)到有毒氣體超標(biāo)，開(kāi)啟排風(fēng)口排有毒氣體，同時(shí)開(kāi)啟蜂鳴器警報(bào)報(bào)警，開(kāi)啟工作人員安全撤離，保障工作人員的安全。
（2）運(yùn)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(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)扇散熱排濕。實(shí)現(xiàn)煤礦工作環(huán)境的穩(wěn)定。
（3）運(yùn)用光敏傳感器，采集煤礦工作的光強(qiáng)環(huán)境。
（4）OLED液晶屏幕顯示煤礦環(huán)境溫濕度值、瓦斯?jié)舛戎怠?br /> （5）手機(jī)App機(jī)智云頁(yè)面的監(jiān)控。采用Wi-Fi模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸在手機(jī)App端顯示監(jiān)控以及控制。手機(jī)App端可以顯示采集的數(shù)據(jù)，還可以控制瓦斯?jié)舛葓?bào)警閥值。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)方框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹

單片機(jī)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(jī)芯片組成，也是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小電路原理圖?？梢哉f(shuō)，每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的每一個(gè)系統(tǒng)都離不開(kāi)這幾個(gè)電路的支撐，其外設(shè)各種功能都是在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)。

2.1.1晶振電路

本設(shè)計(jì)采用的是外接晶振電路：本晶振電路有兩個(gè)電容和一個(gè)晶振源組成，兩個(gè)無(wú)極電容的主要作用是消除晶振源產(chǎn)生干擾電感的阻抗。晶振，更正確地說(shuō)是“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(shuō)所有的系統(tǒng)電路都離不開(kāi)時(shí)序的頻率驅(qū)動(dòng)，這是一種有序的時(shí)序邏輯電路，比喻為單片機(jī)的心臟也不為過(guò)，起著至關(guān)重要的作用，而晶振的頻率主要采用12M,可以根據(jù)單片機(jī)需求進(jìn)行鎖相環(huán)(phase-lockedloop,PLL)分頻，至高能達(dá)到72MHz。

2.1.2復(fù)位電路

剛開(kāi)始系統(tǒng)上電時(shí)給電容充電，此時(shí)的電阻和電容之間會(huì)形成高電壓，所以單片機(jī)的RST復(fù)位引腳是高電平，當(dāng)按鍵S2被按下后，此時(shí)的電阻和電容之間會(huì)形成低電壓，單片機(jī)復(fù)位引腳RST是低電平狀態(tài)，處于這個(gè)狀態(tài)超過(guò)兩個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)行程序初始化(復(fù)位)。

2.2甲烷氣體傳感器電路

甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測(cè)電路是整個(gè)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(zhǎng)、穩(wěn)定性好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以常用于家庭、工廠和公共場(chǎng)所的氣體安全檢測(cè)，而且MQ-5不僅能甲烷，還能檢測(cè)氫氣、苯、天然氣等氣體的探測(cè)。所以相對(duì)準(zhǔn)確地說(shuō)：MQ-5是個(gè)多種氣體檢測(cè)傳感器。

2.3溫濕度傳感器電路

本次設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器模塊采集煤礦的溫濕度。收起傳感器簡(jiǎn)介：DHT11溫濕度傳感器是一種能夠自行測(cè)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(hào)并且串行輸出的傳感器。其中濕度能夠檢測(cè)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(diǎn)，溫度精確度在±2℃左右，精確度較高。

2.4蜂鳴器電路

蜂鳴器電路連接在三極管基極和單片機(jī)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(jī)PB12端口輸出低電平至三極管基極，集電極與發(fā)射極超過(guò)0.7V的導(dǎo)通電壓，三極管被導(dǎo)通，有較大的電流經(jīng)過(guò)三極管，蜂鳴器機(jī)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，此處用于煤礦有毒氣體超標(biāo)時(shí)和溫濕度值過(guò)大時(shí)就會(huì)進(jìn)行警報(bào)。

2.5顯示模塊電路

屏幕的電路設(shè)計(jì)采用的是一種IIC接口，該類型接口連接單片機(jī)的接口只需要4根腳連接，SCL是時(shí)鐘接口，VCC接電源，SDA是數(shù)據(jù)接口，GND接地，簡(jiǎn)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(hào)、終止信號(hào)、應(yīng)答和非應(yīng)答四個(gè)信號(hào)。

2.6?繼電器控制電路

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以需要加裝一個(gè)繼電器模塊以小電流控制大電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于本次設(shè)計(jì)需要用到風(fēng)扇散熱、有毒氣體排氣、排濕自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，所以需要1個(gè)繼電器模塊接口。

繼電器模塊工作原理簡(jiǎn)介：
PC1當(dāng)輸入高電平時(shí)，三極管Q2處于飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)吸合。
PC1當(dāng)輸入低電平時(shí)，三極管Q2處于截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開(kāi)。

2.7 Wi-Fi模塊電路

無(wú)線通信控制采用Wi-Fi來(lái)控制，通過(guò)無(wú)線控制的信號(hào)傳輸方式來(lái)設(shè)定瓦斯報(bào)警濃度的閾值，Wi-Fi控制的特點(diǎn)是成本較低，傳輸速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，集成度高，操作也簡(jiǎn)單，用串口進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)傳輸即可。所以此次設(shè)計(jì)中采用ESP-8266 Wi-Fi連接系統(tǒng)，確保能夠與機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行通信，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的一個(gè)相關(guān)控制——對(duì)瓦斯有毒氣體進(jìn)行一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)控(機(jī)智云監(jiān)控)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是Keil5軟件，目前最主流編程軟件。功能強(qiáng)大：提供了C語(yǔ)言編譯器、連接器、宏匯編、庫(kù)函數(shù)管理功能，還能在線調(diào)試和仿真。

3.1 主控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入主程序之前循環(huán)之前，需要先對(duì)各個(gè)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(huì)對(duì)MQ-5有毒氣體傳感器實(shí)時(shí)采集有毒氣體、DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度、OLED屏幕實(shí)時(shí)更新顯示等，將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的對(duì)比后，作出相應(yīng)的緊急判斷，最后通過(guò)Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)App端機(jī)智云的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

4 電子電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件制作原理圖主要使用AltiumDesigner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(qiáng)大齊全，設(shè)計(jì)上比較的簡(jiǎn)單，對(duì)電子電路開(kāi)發(fā)有著一整套的電路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，適宜電子愛(ài)好者的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，在網(wǎng)上學(xué)習(xí)資料也比較的齊全。

圖4電路圖原圖

以下是設(shè)計(jì)操作的幾個(gè)主要步驟：

(1) 打開(kāi)軟件運(yùn)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(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”。
(2) 在工程項(xiàng)目中創(chuàng)建原理圖，對(duì)一些需要用到的元器件進(jìn)行庫(kù)增加，在庫(kù)元件中找到自己設(shè)計(jì)所需要的元器件拖出來(lái)，然后對(duì)元器件進(jìn)行正常的連接與布局。
(3) 完成以上的步驟后，最終可以得到完整的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)。電路原理圖如圖4所示。

5 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與監(jiān)測(cè)

機(jī)智云是一個(gè)致力于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。智能云平臺(tái)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(zhǎng)期努力，是對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的深刻改造，為個(gè)人和企業(yè)開(kāi)發(fā)者提供一站式智能硬件開(kāi)發(fā)和云服務(wù)平臺(tái)。

該平臺(tái)提供從定義的產(chǎn)品、設(shè)備端開(kāi)發(fā)和調(diào)試、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)測(cè)試、云開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)到運(yùn)營(yíng)管理的智能硬件訪問(wèn)，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的全生命周期。智能云平臺(tái)為開(kāi)發(fā)人員提供自助的智能硬件開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)放的云服務(wù)。通過(guò)簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)的技術(shù)門檻，降低開(kāi)發(fā)人員的成本，提高開(kāi)發(fā)人員的產(chǎn)品生產(chǎn)速度，智能升級(jí)開(kāi)發(fā)人員。更好地連接和服務(wù)最終消費(fèi)者。

機(jī)智云平臺(tái)是一個(gè)致力于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件云服務(wù)的開(kāi)放平臺(tái)。本設(shè)計(jì)中通過(guò)Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯氣體采集并上傳至機(jī)智云的功能，本設(shè)計(jì)機(jī)智云設(shè)備訪問(wèn)的基本過(guò)程如圖5所示。

圖5機(jī)智云設(shè)備訪問(wèn)圖

開(kāi)發(fā)順序步驟：

A. 注冊(cè)成為智能云開(kāi)發(fā)人員
在使用智能云平臺(tái)服務(wù)之前，您需要注冊(cè)一個(gè)開(kāi)發(fā)者賬戶。單擊以注冊(cè)WitCloudDeveloper賬戶，將其分為“個(gè)人賬戶”或者企業(yè)賬戶。

B. 創(chuàng)建產(chǎn)品
在開(kāi)發(fā)者中心點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”后輸入產(chǎn)品名稱以及選擇對(duì)應(yīng)設(shè)備接入方案即可完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建。
第一步，點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”;
第二步，輸入產(chǎn)品名稱與選擇設(shè)備接入方案；
第三步，創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊“新建數(shù)據(jù)點(diǎn)”,添加開(kāi)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)；
第四步，下載云端自動(dòng)生成的協(xié)議。

C. 設(shè)備與應(yīng)用開(kāi)發(fā)
設(shè)備端訪問(wèn)：設(shè)計(jì)中把單片機(jī)設(shè)備采集的信息通過(guò)編寫智能云連接協(xié)議GAgent的網(wǎng)絡(luò)模塊，即可通過(guò)智能云平臺(tái)Wi-Fi模塊無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)和智能。通過(guò)Wi-Fi模塊連接到智能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)App通過(guò)云控制智能設(shè)備。

D. 調(diào)試產(chǎn)品
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成后，單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在調(diào)試過(guò)程中，開(kāi)發(fā)和調(diào)試設(shè)備將連接到WisdomCloudSandbox服務(wù)器(測(cè)試服務(wù)器),將采集的電壓值進(jìn)行顯示在對(duì)應(yīng)的界面，并且可以進(jìn)行控制充電開(kāi)啟以及關(guān)閉。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，通過(guò)傳感器將井下瓦斯?jié)舛葌鹘o單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，開(kāi)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(guò)Wi-Fi模塊傳輸?shù)綑C(jī)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。