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【IoT毕设】机智云物联网云平台+STM32的瓦斯监测控制管理...

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 楼主| 发表于 2023-8-25 17:45:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
免费使用STM32、APP自动代码生成工具
本帖最后由 Kara 于 2023-8-25 17:50 编辑

基于机智云物联网云平台+STM32单片机的瓦斯监测控制管理系统

本项目由吉林建筑大学何冬雪、岳俊华开发设计完成基于单片机的瓦斯监测控制系统,其硬件主要由 STM32 单片机、甲烷气体传感器、温湿度传感器、Wi-Fi 模块、蜂鸣器报警电路模块、控制电路及显示电路模块等组成。 以单片机为核心,能够实时检测到煤矿中的有毒气体,当有害气体的浓度超标时,蜂鸣器会发生声音进行报警提醒工作人员撤离,同时开启继电器控制风扇排气,增加空气流通;还结合温湿度传感器采集煤矿的环境,实现煤矿数据的采集与设定阈值对比后,通过蜂鸣器报警。 同时结合 Wi-Fi 模块实现机智云电脑端页面显示和控制最后还能够通过有机发光二极管显示屏显示。

引言
随着科技的日益进步人们对能源的需求不断增加在中国的基本能源中煤炭的重要性是无可比拟然而煤炭开采过程中煤矿瓦斯**事故频繁发生对人们的生命安全和经济财产造成了巨大损失近年来随着电子技术计算机软硬件技术的快速发展中国的一些研究机构和厂家推出了各种各样的监控系统纷纷加大了对煤矿安全生产监控系统研究开发投入煤矿安全监测监控系统的先进性稳定性可靠性也在逐步提升在煤矿安全生产过程中发挥不可忽视的重要作用
0825-封面.jpg
针对上述情况本文设计出这一款基于 STM32 单片机煤矿瓦斯监测控制管理系统包括甲烷气体传感器电路温湿度传感器电路Wi-Fi 模块电路报警电路继电器控制电路及显示电路 STM32 单片机作为核心具有监测煤矿矿井温湿度瓦斯浓度参数的功能并具有瓦斯浓度超限报警功能具有自动强制通风功能采集数据可通过液晶屏显示监控数据和告警信息可以通过 Wi-Fi 模块传输到远程机智云

系统方案设计
2.1 设计思路
本次设计的主要核心是机智云平台对煤矿瓦斯安全环境的监控使用移植机智云 GAgent Wi-Fi / GPRS 模组建立桥梁使煤矿瓦斯监测系统采集的数据与机智云互联互通煤矿瓦斯监测系统与机智云数据交互图如图1所示
图1 数据交互示意图.png
1 数据交互图
2.2 总体方案设计
煤矿瓦斯安全监测系统涉及的主要硬件设备有单片机最小系统控制电路瓦斯气体采集模块温湿度传感器采集模块蜂鸣器报警模块有机发光二极管 显示模块继电器自动化控制模块和 Wi-Fi 无线通信模块
这几大模块共同组成了煤矿瓦斯安全监测系统主要功能实现如下
1运用有毒气体传感器检测煤矿有害气体浓度比如瓦斯一氧化碳等是否超标,当检测到有毒气体超标开启排风口排有毒气体同时开启蜂鸣器警报报警启工作人员安全撤离保障工作人员的安全
2运用温湿度传感器采集当前煤矿环境的温湿度值。当温湿度值超过设定的阈值时开启风扇散热排湿实现煤矿工作环境的稳定。
3运用光敏传感器采集煤矿工作的光强环境。
4OLED 液晶屏幕显示煤矿环境温湿度值、瓦斯浓度值。
5手机 App 机智云页面的监控。 采用 Wi-Fi 模块实现数据无线传输在手机 App 端显示监控以及控制。 手机 App 端可以显示采集的数据,还可以控制瓦斯浓度报警阀值系统方框图如图 2 所示。
图2 系统方框图.png
2 系统方框图
系统软硬件设计
3.1 硬件电路设计
1单片机最小系统介绍
单片机最小系统一般由下载电路、电源电路、复位电路、晶振电路和单片机芯片组成,也是系统能够实现运转的最小电路原理图。可以说,每个项目设计的每一个系统都离不开这几个电路的支撑其外设各种功能都是在此基础上开发。
*晶振电路
本设计采用的是外接晶振电路本晶振电路有两个电容和一个晶振源组成两个无极电容的主要作用是消除晶振源产生干扰电感的阻抗。晶体振荡器在系统电路中主要起着产生振荡频率的作用可以说所有的系统电路都离不开时序的频率驱动这是一种有序的时序逻辑电路比喻为单片机的心脏也不为过起着至关重要的作用而晶振的频率主要采用 12 M可以根据单片机需求进行锁相环分频至高能达到 72 MHz
*复位电路
刚开始系统上电时给电容充电此时的电阻和电容之间会形成高电压所以单片机的RST 复位引脚是高电平当按键 S2 被按下后,此时的电阻和电容之间会形成低电压,单片机复位引脚 RST 是低电平状态处于这个状态超过两个机器周期单片机就会进行程序初始化(复位)
2甲烷气体传感器电路
甲烷、一氧化碳等有毒气体检测电路是整个系统电路的核心组成部分之一核心部件 MQ-5 有毒气体传感器具有灵敏度高、寿命长、稳定性好、电路结构简单的优点所以常用于家庭、工厂和公共场所的气体安全检测而且 MQ-5 不仅能检测甲烷还能检测氢气、苯、天然气等气体的探测。所以相对准确地说MQ-5 是个多种气体检测传感器。
3温湿度传感器电路
本次设计采用 DHT11 温湿度传感器模块采集煤矿的温湿度。DHT11 温湿度传感器是一种能够自行测量温度和湿度的复合型元器件也是一种能够自行校准数字信号并且串行输出的传感器。其中湿度能够检测的范围 20% ~ 90% RH温度为 0 ~ 50 ℃ 湿度的精确度在 ±5% RH误差较大点温度精确度在±2 ℃ 左右精确度较高。
4蜂鸣器电路
蜂鸣器电路连接在三极管基极和单片机 PB12 的电阻主要起到限流的保护作用工作原理是只要单片机 PB12 端口输出低电平至三极管基极集电极与发射极超过0. 7 V 的导通电压三极管被导通,有较大的电流经过三极管蜂鸣器机会进行报警此处用于煤矿有毒气体超标时和温湿度值过大时就会进行警报。
5显示模块电路
屏幕的电路设计采用的是一种 IIC 接口该类型接口连接单片机的接口只需要 4 根脚连接SCL 是时钟接口, VCC 接电源SDA 是数据接口GND 接地简而言之两根数据线就可显示内容。IIC 是一种通信接口协议通信协议中有起始信号、终止信号、应答和非应答四个信号。
6继电器控制电路
因为单片机的 I / O 口驱动能力有限所以需要加装一个继电器模块以小电流控制大电流进行驱动。由于本次设计需要用到风扇散热、有毒气体排气、排湿自动控制系统的应用所以需要1 个继电器模块接口。
继电器模块工作原理简介
PC1 当输入高电平时三极管Q2 处于饱和导通继电器线圈通电触点吸合。
PC1 当输入低电平时三极管Q2 处于截止继电器线圈断电触点断开。
7Wi-Fi 模块电路
无线通信控制采用 Wi-Fi 来控制通过无线控制的信号传输方式来设定瓦斯报警浓度的阈值Wi-Fi 控制的特点是成本较低传输速度快稳定性强集成度高操作也简单用串口进行无线网络模式的数据传输即可。所以此次设计中采用 ESP -8266 Wi-Fi 连接系统确保能够与机智云平台进行通信可以进行远程的一个相关控制对瓦斯有毒气体进行一个远程的监控机智云监控

3.2 软件程序设计
本设计采用的是 Keil5 软件目前最主流编程软件。功能强大提供了 C 语言编译器、连接器、宏汇编、库函数管理功能还能在线调试和仿真。
1主控制程序设计
系统上电后进入主程序之前循环之前需要先对各个模块的程序进行初始化模块初始化主要包括 MQ-5 甲烷气体传感器、DHT11 温湿度传感器、OLED 显示屏等重新初始化可以复位系统电路并获取传感器初始化状态
初始化完成后主程序会对 MQ-5 有毒气体传感器实时采集有毒气体、DHT11 温湿度传感器采集温湿度、 OLED 屏幕实时更新显示等将获取的数据经过单片机的对比后作出相应的紧急判断最后通过 Wi-Fi 上传数据实现手机 App 端机智云的监控从而实现煤矿瓦斯安全监测等自动化操作。系统主程序流程图如图3 所示。
图3 主控制程序流程图.png
3 系统主程序流程图
2电子电路设计
本设计的硬件制作原理图主要使用 Altium Designer这款软件进行制作此款软件可以汉化支持中文显示使用比较的方便,功能强大齐全设计上比较的简单对电子电路开发有着一整套的电路开发系统适宜电子爱好者的设计与开发在网上学习资料也比较的齐全。
以下是设计操作的几个主要步骤
步骤一打开软件运行后创建文件。 新工程需要选创建工程文件然后保存命名为单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统的设计与研究
步骤二在工程项目中创建原理图对一些需要用到的元器件进行库增加在库元件中找到自己设计所需要的元器件拖出来然后对元器件进行正常的连接与布局。
步骤三完成以上的步骤后最终可以得到完整的煤矿瓦斯监测控制管理系统。电路原理图如图 4 所示。
图4 电路原理图.png
4 电路原理图
3.3 数据自动采集与监测
机智云是一个致力于物联网和云服务的开发平台。机智云云平台主要专注于物联网硬件上的智能云服务和解决方案是行业的长期努力是对传统物联网行业的深刻改造为个人和企业开发者提供一站式智能硬件开发和云服务平台。 该平台提供从定义的产品、设备端开发和调试、应用程序开发、生产测试、云开发、运营管理和数据服务访问到运营管理的智能硬件访问以实现服务的全生命周期。
机智云平台为开发人员提供自助的智能硬件开发工具和开放的云服务。 通过简单的自助工具完善的 SDK API 服务功能最大限度地降低物联网硬件开发的技术门槛降低开发人员的成本提高开发人员的产品生产速度智能升级开发人员更好地连接和服务最终消费者。
本设计中借助机智云平台通过 Wi-Fi 模块实现数据传输实现对瓦斯气体采集并上传至机智云的功能本设计机智云设备访问的基本过程如图 5 所示。
图5 机智云设备访问图.png
5 机智云设备访问图
开发顺序步骤
步骤一注册并登录机智云开发者账号
在使用机智云物联网云平台服务之前您需要注册一个开发者账号
图6.png
步骤二创建产品
在开发者中心点击创建新产品后输入产品名称以及选择对应设备接入方案即可完成新产品的创建。
图7.png
* 点击创建新产品”;
* 输入产品名称与选择设备接入方案;
* 创建数据点点击新建数据点添加开关机数据点;
* 下载云端自动生成的协议。
步骤三设备与应用开发
设备端访问设计中把单片机设备采集的信息通过编写智能云连接协议 GAgent 的网络模块即可通过智能云平台 Wi-Fi 模块无线通信实现设备组网和智能。通过 Wi-Fi 模块连接到智能云平台实现 App 通过云控制智能设备。
图8.png
步骤四调试产品
产品开发完成后单片机系统数据在调试过程中开发和调试设备将连接到 Wisdom Cloud Sandbox 服务器( 测试服务器)将采集的电压值进行显示在对应的界面并且可以进行控制充电开启以及关闭。

总结
本文设计的基于单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统以单片机为核心通过传感器将井下瓦斯浓度传给单片机单片机经过处理判断瓦斯浓度是否超标。当有害气体浓度超标时会发出声光报警开启继电器控制风扇进行空气浓度调节直至浓度降到设定值以下。 通过 Wi-Fi 模块传输到机智云端还能在 OLED 显示屏显示便于工作人员查看和控制能够防止和避免事故发生保证井下工作人员的安全。

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