基于NodeMcu的无线WiFi煤气报警器的设计

白创+殷国豪+周丹+王长杰+肖连花+冷彬心

摘要：针对传统的煤气报警器不可远程报警的缺陷，设计了一种基于NodeMcu的煤气报警系统。该装置利用NodeMcu单片机实施总控，通过MQ-5可燃气体传感器对煤气浓度进行检测，将检测到的信息传输到单片机，由单片机对其进行处理，得出具体浓度值，如超过预设值则发出报警信号， 最后通过NodeMcu上自带的ESP8266 wifi 模块发送报警信号到乐为物联官网上创建的帐号内以及乐为物联的微信公众号，用户就可以通过网页或者公众号平台就可以获取浓度信息。实现了远程无线浓度的传输、显示与报警。通过测试，装置每隔10秒发送一次浓度信息，当浓度超过预设值时，装置立刻发送短信以及微信双重报警信息，以及时提醒用户潜在危险的存在。经测试，煤气浓度的测量范围为0—10000ppm，精度为1ppm。

关键词：煤气报警器；MQ-5可燃气体传感器；NodeMcu；乐为物联

一、煤气报警系统工作原理

系统主要由煤气浓度检测模块、A/D模数转换模块、D/A数模转换模块、ESP8266WIFI模块以及连接到互联网的PC、智能手机等终端设备。MQ-5传感器检测空气中的煤气浓度，经过A/D模数转换，采集进入NodeMcu。NodeMcu实时发送浓度数据给用户帐号，在微信公众号平台以及乐为物联官网上显示实时浓度值。根据实时浓度与预设安全浓度范围比较，判断是否超出正常范围，若超出，则本地蜂鸣器发出报警声，单片机发出报警短信以及微信报警信息，并立刻自动关闭电磁阀。解决了煤气报警器不能远程监控的缺陷，并使报警仪器与智能设备连接，通过微信平台在手机上实时显示，相当于只要人们手机上有微信，就能人人携带一个报警装置。大大降低了成本。

二、系统硬件设计

（1）硬件选型以及设计要点

MCU选取NodeMCU作为控制核心，NodeMcu是一款运行于乐鑫ESP8266芯片之中的可编程固件。它以lua语言为基础，同时提供了封装esp8266硬件操作的高级API，可以让开发者以类似于arduino的方式与底层硬件打交道，使软件开发人员轻松操作硬件设备同时NodeMcu还提供了事件驱动型的网络API，Nodejs风格的编程方式更是让互联网开发人员如鱼得水。

利用MQ-5氣体传感器实现对空气中的可燃气体的检测，MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-5具有探测范围广、灵敏度高、响应恢复快、稳定性能好、寿命长、驱动电路简单等特点，从而被广泛用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、氢气、人工煤气等的探测，其探测范围为300～10000ppm。

（2）硬件功能以及数据处理

对esp8266封装模块ESP12进行扩展，D1～D10：均可复用为GPIO，PW12C，1-Wire；A0：1路ADC；USB供电；USB转串口调试接口。除此之外还有电源引脚，GND，EN等等。该系统用到了A0引脚，A0引脚为NodeMcu A/D的输入端，与MQ-5的A0模拟输出端相连，实现煤气浓度数据的采集。

因为购买的MQ-5模块上的负载电阻是可调的，为了使测量范围最大，将电阻调至1K，在excel上输入几个样点数据，得到曲线对应的函数。y=8.1421x4+563.89x3-1077.5x2+1285.1x-195.11，其中，Y为浓度（ppm），X为MQ-5的A0输出电压。nodemcu的自带的A/D为10位的，MQ-5采集到的数字量传入nodemcu后，经过处理得到电压值，公式为X=adc.read（0）*3.3/1024，得到采集到的电压值，再代入上面的公式处理得到浓度值。

三、软件设计

单片机上电之后， 系统首先初始化，ESP8266模块连接上WIFI，然后发送序列号，安全秘钥连接上乐为物联帐号，与相应传感器绑定；MQ-5可燃气体传感器检测空气中的煤气浓度，浓度值的变化引起电导率变化，电导率通过电路转换为与该浓度对应的输出信号，通过A0端口将信号发送给NodeMcu的A0端口，A/D接收到模拟信号，将数据代入程序中的公式计算得到相应的浓度值；将浓度值通过ESP8266WIFI模块发送到乐为物联的账号上，此时进行浓度是否正常的判断，将浓度值与在乐为物联官网上预设的安全浓度范围进行比较，若超过范围，则通过WIFI模块向乐为物联帐号发送微信报警信息，并同时发送短信报警信息通知用户；并且本地蜂鸣器立刻发出报警声，自动关闭安装在煤气开关口的二重保护开关电磁阀。若未超出正常范围，此时在PC上进入乐为物联官网登录帐号或者登录乐为物联微信公众号平台，即可看到浓度的实时曲线。

四、实验测试及结果

为了达到测试系统能测量的浓度范围，我们将点燃的纸巾生成的一氧化碳作为测量物来代替煤气，避免安全事故的发生。在测试过程中，用NodeMcu上的LED灯代替蜂鸣器和电磁阀。

首先用户用USB给NodeMcu供电，观察到NodeMcu上ESP8266模块的蓝灯闪烁一下，证明初始化完毕，打开电脑的WIFI软件，观察到有一个设备连入，说明NodeMcu连接WIFI成功。

我们将一张纸巾点燃，然后将产生的一氧化碳靠近传感器，平台上的最新浓度值立刻增大为182ppm，并显示为黄色，说明超过了正常值范围。在15：58：43时，煤气浓度增大到了182ppm，此时，NodeMcu上的LED立刻亮起，微信马上收到报警信息，短信也立刻发送到手机上。

测试结果：测量数据表明，煤气浓度与MQ-5输出电压关系函数符合正常情况，正常情况下测量的煤气浓度值也符合标准，当浓度值超过预设的0—25ppm后，本地会立刻发起报警，也即本实验测试的LED灯亮起，报警信息也会立刻发出，用户能马上收到信息，并能及时赶回家中处理。

五、实验结论

使用无线通信的报警器，使得携带更为方便，处理问题也更加高效，在手机上能实时查询当前室内煤气浓度，还可在官网查询数据，两组数据的对比，以验证测量数据的准确性。整个报警系统的总成本在30块钱左右，大大低于市面上的报警器价格，整个报警器所占空间很小，既降低了成本，又节省了空间，再加上便捷的携带与查询方式，使得整个设计具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]龚翔，李亚杰，高学平等.基于GSM的燃气报警系统[J].机械工程与自动化，2011

[2]陈志旺，陈志茹，阎巍山等.51系列单片机系统设计与实践[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

作者简介：殷国豪，2014级电子信息科学与技术专业学生，主要从事嵌入式系统研究；

通讯作者：白创，讲师，主要从事超大规模集成电路设计与深度神经网络算法研究。