郭履宝 龙泺安 曾煦亮 程浩哲 陈海宁

摘要：物联网的兴起给日常生活带来了很多便利。全自动化的开窗设计、闭阀设计以及物联网模块的搭建，使得居民可以避免煤气中毒。本文基于物联网模块设计了智能防煤气中毒装置，致力于减少煤气中毒事件的发生。

关键词：智能防煤气中毒装置;开窗设计;CO检测模块

中图分类号：TP391   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）35-0112-03

Intelligent Anti-gas Poisoning Device

GUO Lv-bao， LONG Luo-an， ZENG Xu-liang， CHENG Hao-zhe， CHEN Hai-ning

（University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The rise of the Internet of Things has brought a lot of convenience to daily life. The fully automated window opening design， closed valve design and the construction of the Internet of Things module allow residents to avoid gas poisoning. This article designs an intelligent anti-gas poisoning device based on the Internet of Things module， which is dedicated to reducing the occurrence of gas poisoning.

Key words： intelligent anti-gas poisoning device; window design; CO detection module

燃氣与我们的衣食住行息息相关，它的广泛使用，给我们的日常生活带来了极大的便捷，但与此同时也带来了很多的安全问题。当燃气泄漏时，如果不能及时采取开窗通风等措施，便会引发事故，造成燃气中毒、火灾甚至严重的爆炸事故。为了提高家庭使用煤气的安全性，让家人的生命以及家庭的财产安全得到保障，需要一种保护装置来消除燃气泄漏的隐患。

通过调查发现，目前为了解决煤气泄漏问题普遍采用的报警方式是：当燃气传感器检测到有燃气泄漏后，立即发出警铃声来提醒当事人对该问题进行处理[1]。但是此种方式具有一定局限性，如果发生燃气泄漏时无人在场或是人处于深度睡眠情况下未接收到警铃声，那么煤气达到一定浓度会引发较大的安全事故，鉴于这种报警装置的局限性，我们设计了此款智能防煤气中毒装置。

1 设计过程

该装置由煤气检测传感器，基于STM32的控制系统，煤气控制阀，自动开锁装置，排风换气扇，继电器，步进电机以及自动开窗机构组成。

1.1 煤气泄漏自闭阀门

在发生煤气泄漏时，不光需要采取及时有效的通风、报警等措施，还需从根源上切断煤气泄漏。因此我们运用类似的Z杆开锁机构来达到自动关闭煤气阀的效果。当单片机检测到CO传感器发出的泄漏信号时，及时向步进电机驱动器发送驱动信号，用以驱动步进电机带动Z杆装置旋转，Z杆装置与阀柄相连，Z杆旋转可带动阀柄往固定方向旋转，来达到自动关闭气阀的效果。

1.2 换气扇的启动

换气扇模拟的是家庭厨房常用的抽油烟机，日常生活中的抽油烟机均为手动开启。在此基础上并联了自动控制电路。自动控制电路由单片机和继电器组成，由单片机控制继电器动作。接入继电器的电路处于常开状态。单片机接收到煤气泄漏信号时，即刻给继电器信号控制排风扇的开启。这样可达到在无人为干预下将换气扇打开。

1.3 传感器及控制部分

1.3.1 煤气传感器

我们选用CO传感器模块[2]作为检测元件。煤气泄漏信号被检测到后，经信号滤波放大，通过门限比较器进行识别。若该信号大于门限值，则传感器模块输出为高电平。反之，则该模块输出为低电平。

1.3.2 窗户开关信号检测传感器

该模块主要由开关部分和磁铁部分构成。其中，开关部分主要就是一个常开型的干簧管;磁铁部分主要就是一个永磁体，用于提供稳定的磁场。当开关部分与磁铁部分靠近时，即窗户处于关闭状态时，开关处于工作状态;反之，开关处于关闭状态。窗户的开关状态由窗户开关检测器以电信号的形式实时发送到单片机。

1.3.3 雨滴传感器

雨滴传感器模块的雨水感应板检测到室外有雨滴信号时，传感器模块输出有效低电平。我们通过C程序将单片机与该传感器模块的输入信号接口设置为低电平触发有效，若检测到有效雨滴信号，则单片机接收到低电平，即刻触发步进电机驱动器，向电机提供有效的驱动信号，使电机反转，从而达到雨天自动关窗的效果。

1.4 自动开窗部分

考虑到家庭窗户种类的多样性，我们共设计了两类窗户的自动开窗机构[3]。

1.4.1 横移式自动开窗机构

在横移式窗户的上沿通过螺栓固定设计好的齿条，其次在安装齿条的窗户外框架的上方中间处固定好步进电机，并将输出轴部分与同型号齿轮连接固定，同窗户上的齿条相啮合。当步进电机接收到单片机驱动信号的时候会带动齿轮转动，达到横移窗的自动开窗效果。图1为横移自动窗原理图。

1.4.2 二连杆铰接开窗机构

此机构是基于推窗设计的。采用二连杆机构，使其一端铰接在窗户上框，然后连杆的另一端作为开窗动力装置，在一端连接好齿轮并与步进电机相连接，然后连接好的模块一起固定在窗户上部的墙壁上。

当电机转动的同时带着齿轮一起转动，则会使二连杆运动，从而实现外推式窗户的自动开窗。

1.5 辅助开锁装置部分

1.5.1 Z杆开锁器

该装置是通过安装在支架上的电机带动Z杆旋转，进而带动锁把转动，达到开锁动作。调查了家庭常见窗户锁的类型，我们针对三八式执手锁以及T型锁做了相关Z杆开锁的设计。不同类型的窗户锁开锁方向有一定差别，通过将Z杆开锁器安装在不同的位置，来改变电机带动Z杆装置旋转的方向，以达到开启不同类型锁的目的。三八式执手锁的开锁方向与窗户平面是属于相对平行关系，故步进电机与Z杆装置的安装位置应当是垂直于窗户平面的。Z杆开锁机原理图如图2所示。

1.5.2 曲柄连杆杆开锁器

该装置是通过安装在支架上的电机带动曲柄旋转，进而带动连杆转动，达到开锁动作。调查了家庭常见窗户锁的类型，我们针对月牙锁以及上下执手锁做了相关曲柄连杆辅助开锁的设计。我们通过将曲柄连杆开锁器安装在不同的位置，便可达到开锁的目的。曲柄连杆杆开锁器结构如图3所示。

2 设计结果

为了能够在煤气泄漏第一时间提醒人们或是在人们不便处理的情况下自动处理险情，我们自主设计制作了集自动闭阀装置、自动开窗机构、自动开锁装置、自动排换气、智能手机App报警于一体的防煤气中毒装置。系统运行流程图如图4所示。

在居民日常正常使用煤气即无泄漏的情况下，煤气传感器亦处于工作状态，若煤气泄漏浓度达到CO传感器设定的检测浓度时，传感器直接发出电信号给控制系统，控制系统在接收到信号后通过无线传输向用户手机App发送煤气泄漏报警信息，及时告知用户室内煤气的浓度，提醒用户做出相应的防范。其中手机报警可以发送短信到用户手机上，也可以通过微信发送报警信号（图5 微信报警界面）[4-6]。

我们增设了检测天气模块，当雨水感应板检测到室外有雨滴时，通过雨水传感器模块将该物理信号转换处理成AO信号进行输出，单片机接收到该输入信号后，及时发送有效信号给步进电机驱动器，从而实现了如果下雨天能及时自动关窗的功能。此装置在保障居民人身安全的同时，也为人们的日常生活提供了便利[7]。

3 系统调试

我们针对智能防煤气中毒装置的工作完成时间做了多组实验。实验数据如图6所示。

4 系统结论

智能防煤气中毒装置将煤气检测模块与开窗机构、换气扇相连接，当有煤气泄漏时，不需要人为干涉就可以实现室内通风，能有效减少煤气中毒事件的发生，消除煤气泄漏带来的安全隐患;从气源上进行切断，比单一地报警等措施更能保证煤气泄漏现场的安全性。装置结构简单，性能可靠，性价比高，具有一个良好的应用前景[8]。

参考文献：

[1] 陈英，肖利军，刘蒙瑞.智能家庭煤气中毒及火灾报警系统设计[J].无线互联科技，2018，15（15）：68-69.

[2] 张文霞，简明阳，胡卫杰.冶金企业CO气体浓度检测报警联动事故排风系统的设计[J].冶金与材料，2020，40（5）：84-85.

[3] 陈一帆，贾乐乐，胡鹏，等.基于CPAC的玻璃幕墙开窗器控制系统设计[J].黄河科技学院学报，2021，23（2）：60-65.

[4] 史经允，史殊姝.基于STM32和物联网技术的道路智能照明设计[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2021（8）：187-188.

[5] 白玉立，喻恒.基于Arduino的心率计步器的设计实现[J].工业控制计算机，2021，34（7）：153-154，156.

[6] 万方高，卢俊宇，卢俊诚，等.浅谈基于STM32单片机的智能风扇控制系统设计[J].中国设备工程，2021（13）：95-96.

[7] 杨智霞.浅析单片机控制的汽车智能降溫系统[J].内燃机与配件，2021（14）：230-231.

[8] 马祥琴.农家煤炉取暖须“五防”[J].农村科学实验，2013（3）：44.

【通联编辑：梁书】