基金项目：2023年陕西省大学生创新创业训练计划项目（202313681002X）

中图分类号：TP277; TP368.1          文献标识码：A          文章编号：

Fan Ying Natural Gas Intelligent Detection And Warning Device

WANG Jie¹, CAI Jiayi², SUN Xinyue¹, YANG Yuxin³, LIYuxuan²

(1.School of Telecommunication Engineering, Haojing College, Shaanxi University of Science and Technology, Xi 'an 712046, China;

2.School of Computer Science and Technology, Haojing College, Shaanxi University of Science and Technology, Xi 'an 712046, China;

3. School of Fashion and Art Design, Haojing College, Shaanxi University of Science and Technology, Xi 'an 712046, China)

Abstract: With the popularization of natural gas use, the quality of life of residents has been greatly improved, but the casualties caused by natural gas leakage and explosion continue to increase every year. Therefore, the research and design of natural gas intelligent detection and warning device has far-reaching practical significance. The main control module of the device adopts STM32F103C8T6 and OLED as the display module, which is responsible for displaying the collected temperature, humidity and natural gas values. DHT11 is selected as the temperature and humidity collection module, and MQ-4 is used to collect indoor natural gas concentration. Dual communication is realized through HC05 Bluetooth module and SIM900A communication module, and dual alarm mode of buzzer and SMS is adopted. The device is equipped with APP remote control and manual control, and explosion-proof circuit is adopted as a whole. Therefore, the design of natural gas intelligent detection device structure is more reliable, more convenient and intelligent use.

Keywords：STM32F103C8T6; Temperature and humidity; Natural gas concentration; Dual communication; Intelligent detection;

0  引言

本文介绍了针对然气行业发展迅猛的背景下，政府为保护人民生命财产安全，出台了强制性或推广性的安装然气检测报警装置政策。在此背景下涌出众多的然气检测器件。如：便携式、固定式、壁挂式等，但由于报警准确性和功能不全的问题，使用用户较少，市场潜力巨大^[1]。再次背景下。本文设计一款通过加入通信模块、单片机、控制软件等技术，对然气检测装置进行改造，使其更加智能化和简洁化的然气检测装置，更好地满足人们的需求。通过这些改进有望满足市场潜在用户的需求，提升安全性和便利性。

1 方案总体设计

该装置主要以检测然气浓度为主，温湿度检测为辅，检测数据通过OLED进行实时显示，并通过信息通信模块与手机APP相连，可通过手机APP或者装置按键实现装置开关以及自检，当房间然气浓度超过设置的阈值、蜂鸣器鸣响、然气浓度将以短信形式实时发送到用户手机实现报警。首先，通过APP绑定装置启动装置，随后天然气检测模块采集空气中的然气浓度通过单片机进行数据转换以及处理。其次，通过蓝牙模块以及信息通信模块实现与手机APP的信息、指令互传，完成信息向手机的传递以及手机向装置的控制指令的发送。最后单片机将采集值与阈值进行对比，根据比对结果执行相关操作。图 1为装置构架图。

图 1 装置构架图

2 系统的硬件设计

2.1 STM32F103C8T6最小系统设计

樊英天然气智能检测装置采用的主控核心为STM32F103C8T6，其内核主频高达72MHz，能够快速处理复杂的控制任务。STM32微处理器基于ARM Cortex-M内核，集成了定时器、通信接口、DAC、ADC、CAN、内置FLASH等丰富的内部资源^[2]，图 2为本装置的STM32F103C8T6芯片电路设计图。

图 2 主控STM32F103C8T6电路设计图

2.2 天然气检测模块

由于然气检测装置安装位置在厨房，所以在室内然气浓度采集上选择MQ-4天然气传感器。首先MQ-4天然气传感器使用的气敏材料为空气中电导率较低的二氧化锡（SnO₂）^[3]。其次MQ-4天然气传感器对探测目标甲烷（CH₄）的灵敏度较高，灵敏度为（S）Rs(in air)/Rs(5000ppm甲烷)≥5符合甲烷爆炸的下线，甲烷爆炸下线如下表 1所示并且其对甲烷检测范围为300-10000ppm，对酒精以及其他的干扰气体具有较强的抗干扰能力^[4]，并且MQ-4的检测范围很宽,对可燃气体(如CH₄以及烷烃类物质)的亲和度较高,对C2H6O和NH4NO3的亲和度低,检测速度灵敏,性价比高^[5]。MQ-4引脚1、引脚2为数据传输线，引脚3为GND,引脚4为VCC采用5.0V电源供电，图 3为MQ-4天然气传感器设计电路图。

表 1 CH₄爆炸极限数据表

Table 1 Explosion limit data of CH₄ combustible gas

图 3 MQ-4天然气传感器电路图

2.3 通信模块

在通信上樊英然气检测预警装置采用HC05蓝牙模块＋SIM900通信模块双模式，HC05蓝牙模块通过V2.0协议负责10m范围波特率1200~115200之间的信息传输，其使用CRS蓝牙传输芯片，采用5V电源供电。SIM900A工业级GSM/GPRS模块，工作频段为：900/1800MHz 双频段，并且SIM900A可以低功耗实现语音、SMS（短信，不支持彩信）、数据以及传真信息的传输（GPRS功能）^[6]。樊英天然气智能检测预警装置通过使用SIM900A在弥补HC05蓝牙模块的不足的同时，实现用户手机与装置之间的控制指令以及信息的实时远距离传输。

2.4 其余重要模块

本装置中的DHT11负责采集装置所处环境的温湿度并将结果反馈给单片机，其湿度的检测精度范围为±5%相对湿度（RH），温度的检测精度范围为±2℃。DHT11一共3个引脚，引脚1是VCC，使用5.0V电源进行供电，引脚2是DOUT输出数据，引脚3是GND接地^[7]。OLED负责显示CH₄浓度、温湿度、以及然气浓度的阈值，装置采用0.96英寸4脚针的OLED模块，其中引脚1为VCC连接5V电源为OLED供电、引脚2为GND接地、引脚3和4分别为时钟信号线SCL和双向数据线SDA。装置包含三个按键：Key1、Key2、Key3其分别于单片机的C 13、C14、C15端口连接，其可以对报警的阈值大小进行设定。Key1、Key3为阈值的增减设置，Key2为阈值设置键。当按下设置键时，OLED显示屏会切换到检测值的阈值设置界面，在按一下会切换到然气浓度报警阈值设置页面，按第三次设置键，显示屏会进入温湿度报警阈值设置界面，按第四次设置键按重新回到然气浓度、温湿度实时监测页面；当显示屏显示阈值设置页面时，使用加、减键可据环境需要调整阈值^[8]。

3  装置软件设计

樊英天然气智能检测装置的主程序包括：然气采集程序、温湿度采集程序、蓝牙控制程序、SIM900A通信程序和OLED显示程序等。

3.1 总体系统设计

樊英然气智能检测预警装置系统的主要功能是以主控程序为中心，通常由主控程序进行编程，这一点在本文中也是 适用的。所以在这个设计中，首先对这个装置的系统进行初始化，这个初始化包含了对所有待测值给它们赋初值，并对OLED屏幕进行初始化。在这个循环当中， 第一个步骤是对按钮进行扫描，通过按键的调节来设定一个合适的报警阈值，然后实时地测量监测气体浓度，将气体值显示在OLED屏幕上，同时还可以对温度湿度进行实时监测，一旦发现然气浓度值超过设定阈值，就会在启动蜂鸣报警器报警的同时，启动SIM900A通讯模块编辑燃气实时数据发送短信给用户报警。总体系统流程图如图 4所示。

图 4 主程序运行流程图

3.2 然气检测报警子程序设计

樊英天然气智能检测预警装置采用的传感器MQ-4使用的是模拟输出模式，单片机要读取数据时需先开启ADC功能，将模拟信号转化为数字信号。首先装置燃气检测报警子程序选择取30次数据的平均值作为本次的检测值，随后将其转化为电压值与报警模块的启动电压值进行对比，若超过或电压值说明室内存在然气泄露，此时将启动报警模块实时传输数据到用户手机，反之则关闭报警模块，继续执行然气检测程序。然气检测报警子程序设计图如 图 5所示。

图 5然气检测报警子程序运行流程图

3.3 OLED显示子程序设计

从低成本，低功耗设计理念出发，OLED 很薄、很轻，厚度可以做到比 LCD 薄；由于不需要背光源的主动发光，所以OLED视角很广，一般接近180^。, 并且具有省电，耐低温特性，使用温度范围广(温度范围：-40~80℃),在低温下性能远远优于 LCD^[9]。

在装置显示程序设计中，OLED屏幕主要显示被测物以及其对应的测量值。OLED显示屏上显示三行内容：“mq”、“wd”、“sd”；其分别对应：“浓度”、“温度”、“湿度”。其具体的显示内容设置如下图 6所示。

图 6 OLED显示子程序运行流程图

4 装置测试

樊英天然气智能检测预警装置的运行需要八个模块以及相应的程序紧密配合来完成，所以在装置的测试上分为三部分：程序测试、硬件测试、整体测试。首先通过硬件测试确保各个部件都能够正常工作，随后进行程序测试确保各个模块功能正常，最后通过整体测试确保模块以及从程序之间配合正常，确保装置正常运行。装置整体组装图如图 7所示。

图 7 实物整体图

4.1 装置硬件测试

硬件测试是将每个器件和 STM32单片机进行去检测，确保每个器件和 STM32 单片机都能够正常运行，其测试步骤如下：

接通电路板电源，将DHT11温湿度传感器、MQ-4天然气传感器、蜂鸣报警器、SIM900A通讯模块、OLED显示屏、HC05蓝牙模块、STM32单片机集成电路依次与电路板预留引脚接口相连，观察各个元器件的指示灯是否点亮，如果指示灯正常亮起说明电路板电路焊接完好、各个元器件能够正常工作。否则电路重新焊接、检查各个元器连接位置是否松散或器件重新挑选。

经过详尽的硬件测试，我们已确认所有器件和STM32单片机与电路板之间的连接都是准确无误的，且各组件的功能表现均符合预期。测试流程中涵盖了DHT11温湿度传感器、MQ-4天然气传感器、蜂鸣报警器、SIM900A通讯模块、OLED显示屏以及HC05蓝牙模块等核心组件。

测试结果如图 8所示，所有元器件的指示灯在正常工作状态下均能够稳定点亮，这充分表明电路板电路的焊接工艺精良，元器件之间的连接牢固可靠。DHT11温湿度传感器能够准确捕捉并传输环境温湿度数据至STM32单片机；MQ-4天然气传感器在模拟的泄漏环境下迅速响应，触发了报警机制；蜂鸣报警器在接收到报警指令后，立即发出响亮的警报声；SIM900A通讯模块成功地将包含环境、然气实时浓度等参数信息的短信发送至预设的手机号码；OLED显示屏清晰展示了各项环境参数；HC05蓝牙模块与智能设备建立了稳定的连接，实现了数据的实时无线传输与接收。

图 8 装置测试图

综合上述测试结果，们可以得出结论：该预警装置在硬件层面上的表现卓越，各组件的性能稳定可靠，达到了预期的工作效果。STM32单片机作为整个预警装置的核心控制器，成功实现了对各传感器数据的精准采集与处理，并与其他模块之间实现了高效稳定的通信与协同工作。该预警装置能够在环境参数超出安全范围时及时发出警报，并通过通讯模块将相关信息及时传达给相关人员，为环境安全提供了坚实的保障。

4.2 装置软件测试

通过将软件程序放入Keil中进行编译、链接调试，是确保软件安全、正确、完整的关键环节^[10]。本装置的软件测试步骤如下：

1) 打开Keil软件，新建工程进行程序编写；

2) 编译好程序后，使用仿真器Fire-Debugger下载到STM32单片机进行运行；

3) 在标准环境下观察运行结果，根据实验结果反复修改程序实现功能。

4.3 装置整体测试

由于装置的研发与测试都是在学校内进行所以为了确保安全我们通过对比得知MQ-4与MQ135在设计原理、规格、技术参数等方面都无差异，所以在实验中将原件由MQ-4换为MQ135, 以天然气泄漏速度为 8.274m³/s这一测试条件下5次为一组进行3组实验来检验装置的准确性，查看气体传感器能否随着浓度变化、距离变化而做出预警，以及气体浓度按键、温湿度传感器按键是否正常。具体测试环境如表 2所示。

表 2测试环境条件

Table 2 Test environmental conditions

硬件平台已经建立，软件编程也已经完成，再将该软件写入到硬件中进行初步的试验， 以确定所有性能指标。接下要做的就是对设备进行全面的测试，首先做的就是电源的运行情况，我们将 10V的电源线和线路板连接到一起，观察各个原件的指示灯是否正常亮起，若有 元件指示灯未点亮则对电路与原件进行检查。其次，我们要做一个完整的实体实验，首先将OLED的显示软件烧录到一个 STM32上，观察 OLED能否正确的显示文字，其他原件用相同的办法进行测试。

在整个装置大的硬件上，以 MQ-4作为气体检测，DHT11作为温湿度检测 OLED 作为显示器，独立按键作为阈值设定装置，蜂鸣器作为报警器，以 STM32 作为主控原件，通过 HC05、 SIM900A进行数据传输。

软件部分单片机作为主控芯片完成浓度检测、温湿度检测、按键设置、灯光报警、蓝牙控制、信息传输。

最终，在软件可以实现装置的开关、阈值的设置等功能。在超过设定的阈值时，装置通过短信发送实时数据到用户手机进行报警。部分测试数据如表 3所示。

表 3 装置部分测试数据

Table 3 Part of the test data of the device

5 总结

本文基于STM32F103C8T6单片机作为主控核心，通过将MQ-4然气检测模块、SIM900A通信模块、OLED显示模块等四个模块组合起来设计了樊英然气智能检测预警装置，通过选取对然气灵敏度较高的检测仪器，确保检测数据的准确性。设计APP进行控制，以及远程报警使装置操作起来更加智能，解决监护人未在家时不能及时接收到预警信息这一问题。但目前国内然气检测预警装置的发展任然任重道远，至少在然气检测模块的选择上的问题上必须解决：特别专业的太贵，一般的检测又不准这一问题。让家用然气检测装置的价格下来，让每个居民都能买的起一款智能、简洁、检测准确的然气检测预警装置，为居民的生命财产安全构建一道安全屏障。

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[10] 申臻,宋雷军,魏冬冬等.基于Keil C51的嵌入式软件外设虚拟化设计与实现[J].计算机测量与控制,2023,31(04):205-212.

作者简介：吴笛，1993.7.12，男，汉族，陕西铜川人，硕士研究生，主要研究方向：智能控制作者简介：王杰，2003.3.4, 男，汉族，陕西宝鸡人,本科，主要研究方向：自动控制

作者简介：华博润，1998.5.8，女，汉族，陕西西安人，硕士研究生。主要研究方向：深度哈希语音检索