摘要：当燃气气体浓度超过安全限值时，会向服务器发出警报，同时将报警信息传输到安装了Android操作系统的移动设备上，用户可以根据警报迅速采取措施阻止燃气泄漏事件发生。该系统实现了环境监测燃气泄漏事件的实时响应，是一种全新的燃气报警器设计，可以有效保护燃气用户的安全。
*基金项目：由大学生创新创业训练计划项目基金资助
近年来，燃气泄漏事件变得越来越频繁，其实一些燃气泄漏事件是可以被及时发现和预防的，但是由于缺乏有效的监测系统，这类事件经常被忽视，造成严重的安全隐患。为了解决这一问题，研究者们开发了一系列的燃气报警器，以便及时发现燃气泄漏事件，从而保护用户的安全。
目前，大多数燃气报警器采用传统的本地报警方式，例如，许多燃气报警器采用声音、灯光等本地报警方式，这种报警方式只能发出本地报警，无法及时发现燃气泄漏事件，并且可能会因为环境噪音而无法发出报警。另外，一些研究者也提出了基于GSM 网络的报警系统，但是GSM 网络的覆盖范围较小，报警系统的可靠性较低。
为了解决上述问题，本文提出了一种基于ESP8266的燃气泄漏云响应系统。该系统主要由MQ-4 气体传感器、MC106B 传感器、DHT11 温湿度传感器、RGBLED、ESP8266 MCU、Android 操作系统移动设备以及云端传感器网络组成。
本文以ESP8266-12f 为核心控制器，ESP8266 是一款可编程的小型微控制器，具有低功耗、低成本、小体积、高性能等优点。它可以实现多种不同的物联网应用，比如室内环境监测、家庭自动化、网关设备等。环境监测燃气泄漏云响应系统旨在监测室内燃气水平，如果燃气泄漏，将通过云服务及时发送警报。这样可以大大减少燃气泄漏带来的损失和危害。本文将阐述如何使用ESP8266 设计这样一个系统以及它的功能和特点。
1 整体设计方案
1.1 硬件系统设计
采用ESP8266 作为主控芯片：ESP8266 是一款高性能、稳定、可靠的无线网络控制芯片，可实现WiFi 连接，集成TCP/IP 协议栈，可以连接云端。燃气传感器,用于检测环境中的燃气浓度，如有泄漏可以及时发出警报。温湿度传感器, 用于检测环境中的温度和湿度，以确保检测结果的准确性。 外部蜂鸣器, 当环境中出现燃气泄漏时，外部蜂鸣器可以发出警报，提醒人们注意安全。电磁阀，如若发生燃气泄漏，可进行远程控，阻隔泄漏。外部电源，用于给各模块提供电源，以便系统正常工作。
图1 主硬件模块
1.2 温湿度监测模块
此模块我们采用DHT11，DHT11 是一种常用的温湿度传感器，以实时测量环境中的温度和湿度，它可以输出0~100% 的湿度和0~50℃ 的温度数据，精度可达±2℃。其硬件设计非常简单，由1 片单芯片组成，其中包含1 个温度传感器、1 个湿度传感器和1 个微控制器。该传感器通过向微控制器发送信号来检测温度和湿度，并将结果发送给用户。此外，DHT11 也包含1 个模拟输出接口，可以将温湿度结果转换成模拟信号，以便用户读取。
DHT11 里面封装了1 个8 位MCU，单片机连接了1 个电阻式感湿元件和1 个NTC 测温元件，图2 为简单图示。
图2 DHT11元件简图
1.3 气体监测模块设计
气体监测模块，采用MC106B 气体传感器与MQ-4气体传感器结合使用。
MQ-4：MQ-4 是一款甲烷传感器，主要用于检测空气中的甲烷含量。它能够准确地检测空气中的甲烷含量，从而有助于确保安全和节能。它具有低成本，紧凑设计，低功耗，低噪声等优点。
MC106B：MC106B 气体传感器是一种微型射频电容气体传感器，它能够测量各种气体的浓度，并可以在室内环境下检测甲烷、氨气、氯气、二氧化碳等气体的浓度。并且具有良好的电磁兼容性，可在室温下持续长达5 年。它采用分立极化电容式结构，具有快速响应、高精度、低电流消耗等优点。
为了提高检测的精准度，对MC106B 进行出信号随环境湿度变化特性观测，以实现精准测量。
图3 为MC106B 的输出信号随环境湿度变化。
图3 MC106B特性曲线
1.4 电源模块设计
放电控制电路、检测电路、保护电路和充放电接口等。电源管理电路主要负责将输入电源调节到所需要的电压，以及控制电池的充放电状态；充放电控制电路主要负责控制充放电的流程；检测电路主要负责检测电池的电压和电流等信息；保护电路主要负责防止电池过充过放；充放电接口主要负责连接电池和外部电源。
1.5 OLED显示屏设计
选用0.96 寸OLED 显示效果出众，具有极高的对比度和亮度；可以更节省电能，使用耗电量比普通LCD显示器更低；更轻薄，比普通LCD 显示器的厚度更薄；更可靠，具有更长的使用寿命OLED 用来显示温度、湿度，燃气浓度等环境参数。
此外，OLED 还可以用来显示搭配系统的调试信息，使用者可以查看到系统运行状态，从而有效提升系统的可靠性和稳定性。
1.6 声光报警设计
当监测到的燃气浓度高出阈值，或者环境温湿度异常时向云端发出警报信息，同时采用声音和光学报警的方式来报警并向云端发送危险信息。当待测气体体积分数超过预设的检测阈值时，单片机 控制三极管导通，使蜂鸣器发出声音，通过改变与单片机相连引脚输出波形的频率，就能控制蜂鸣器音调变化；通过控 制 LED灯与IO 口相连端的电压来调节灯的亮灭。 在程序 中设定LED 灯间隔 1s 进行闪烁作为警示。
1.7 电磁阀的设计
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油进入不同的排油管，通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。进而通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。单片机控制电磁阀如下图4。
图4 控制电磁阀简图
2 软件设计
系统的软件设计主要分为两个部分，即ESP8266 的软件设计和云服务器的软件设计。
2.1 ESP8266的软件设计的组成
1）WiFi 模块的配置： 首先， 配置ESP8266 的Wi-Fi 模块，使其可以连接到云服务器；
2）温湿度传感器的驱动：编写驱动程序，以实现对DHT11 温湿度传感器的控制，从而实时获取环境中的温度和湿度信息；
3）气体传感器的驱动：编写驱动程序，以实现对MC106B 与MQ-4 对可燃气体的浓度监测；
4）RGB LED 的驱动：编写驱动程序，以实现对RGB LED 的控制，从而根据温度和湿度的变化来控制颜色；
5）数据传输：编写程序，实现将温度和湿度数据通过WiFi 发送到云服务器，以便远程控制和监测；
6）电磁阀的控制：编写程序，通过控制单片机IO口输出高低电平，实现控制电磁阀。
2.2 云服务器的软件设计的组成
1）网络连接：编写程序，以实现ESP8266 和云服务器之间的网络连接；
2）数据接收：编写程序，以实现从ESP8266 接收温度和湿度数据的功能；
3）数据处理：编写程序，实现数据的存储、处理和可视化等功能，以便进行远程监控和控制。
3 系统测试
3.1 构建测试环境
根据系统设计的功能，搭建1 个可以模拟燃气泄漏的测试环境，来检测系统的响应速度和准确性。
1）使用传感器测量环境中的变量，包括温度、湿度、空气质量、空气压力、气体浓度等，并对数据进行实时采集；
2）使用ESP8266 将采集到的数据上传到云端，并实时监测燃气泄漏情况；
3）在云端进行数据分析，根据环境的变化，判断是否有燃气泄漏的可能；
4）当发现有可能发生燃气泄漏时，及时发出报警信号，并及时采取安全措施。
3.2 模拟环境测试
使用模拟工具来模拟燃气泄漏的环境，对系统的响应能力进行测试。
使用电子烟机、气体浓度检测仪、温湿度计等仪器进行测试，用于检测和记录环境参数，以评估系统性能。
3.3 功能测试
测试系统的各个功能模块，确保系统能够按照预期来完成设计的功能。
功能测试可以从两个方面进行：
1）从硬件层面进行测试，包括ESP8266 的连接、网络检测、传感器的工作情况、报警设备的正常运行等；
2）从软件层面进行测试，包括系统的通信性能、数据的收集、存储、处理、上传等功能的正常运行。
3.4 性能测试
测试系统的性能，检查其稳定性、响应速度、可靠性等指标。
在基于ESP8266 的环境监测燃气泄漏云响应系统设计的性能测试方法中，我们使用压力测试、延迟测试、可靠性测试和安全性测试等技术来检测系统性能。压力测试可用于测试系统在高并发情况下的表现，延迟测试可用于测试系统处理请求的速度，可靠性测试可用于测试系统的可靠性。
3.5 安全测试
测试系统的安全性，确保系统能够符合安全要求。
3.6 测试数据
本次数据采集通过利用亚克力板，搭建外部隔绝环境，每分钟进行1 次数据采集，共采集13 组数据，见表1。
图5 效果展示
4 结束语
本文提出了一种基于ESP8266 的环境监测燃气泄漏云响应系统，该系统利用MQ-4 气体传感器和MC106B感器检测环境中的燃气气体浓度，并将数据上传到云端，当燃气气体浓度超过安全限值时，会向服务器发出警报，同时将报警信息传输到安装了Android 操作系统的移动设备上，用户可以根据警报迅速采取措施阻止燃气泄漏事件发生。通过测试，该系统能够实现实时响应，从而有效地保护了用户的安全。
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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）