【《基于NB-IoT技术的燃气报警器设计》8100字（论文）】

PAGE第2页共14页基于NB-IoT技术的燃气报警器设计摘要：经过我国经济社会的发展，在我们的生活和工业生产中，会产生有害气体，因此我们需要经常使用到燃气报警器来解决这些问题，他是我们家家户户必备的的设备之一，因此本设计是一款基于NB-IOT技术的燃气有害气体报警器，能够实现对可燃气体的监测，联网控制。目前很多都是传统的报警系统存在很多问题，NB-IOT技术可以很好的解决存在的问题,此实验是基于NB-IOT（窄带物联网通信技术）的燃气报警器设计。关键词：NB—IOT报警器系统目录第一章绪论 31.1课题的应用场景 31.2市场现状 41.3研究现状 51.4意义 6第二章燃气报警器系统的总体设计 7第三章燃气报警器系统模块硬件电路设计 83.1有害气体传感电路设计 83.2红绿灯指示电路设计 93.3蜂鸣报警模块电路设计 93.4NB-IoT模块电路设计 113.5显示电路设计 112硬件接口设计 12第四章燃气报警器系统的模块软件设计 134.1有害气体传感模块软件设计 134.2红绿灯指示模块软件设计 164.3蜂鸣报警模块软件设计 174.4NB-IOT模块软件设计 184.5显示模块软件设计 19第五章燃气报警软硬件调试 19第六章总结 21参考文献 25第一章绪论1.1课题的应用场景随着我国物联网技术的不断的发展，技术不断普及，其各种支线技术也是不断地茁壮成长，作为目前被赋予厚望的NB-IoT技术由我国所主导制定它的使用标准，中国半导体行业用尽心血培养制定出mMTC的使用标准，所以我国在这方面正处于领先地位，2020年，我的国各种生活应用产品的智能化、国产替代化不断前进的背景下，新兴应用不断地驱动下，行业的景气程度还有市场对于应用端的需求不断增加，在目前我国的NB-IoT技术这几年茁壮成长下，现如今国内成功的达成了整体的NB-IoT连接数量成功突破1亿的成就，我国在这项技术的产业链端，上下游的供应生产端，还有未来的发展规划和应用端上已经在世界成了领先水平。如今，国外NB-IoT的市场也十分广阔，各国都十分重视此块市场，将NB-IoT技术视作新的利润增长点，在印度，泰国，还有英国等地各国都发布文件来推动此项技术的发展，目前如今已经超过100个商用的网络，现预测未来的几年，海外市场前景甚至比国内要广，发展速度很有可能超过国内，包括市场上最重视的自动驾驶，燃气表，可燃气体报警等，由于NB-IoT自身优势，加之2021年全世界的缺芯潮所导致的半导体行业的景气所赋能，推动了这项技术的更加快速的发展。NB-IoT技术最接近我们生活的也是关乎于人生命安全的就是用作于有害气体报警器，可燃气体泄漏报警器不仅适用于家庭，也适用于井下作业，还有矿地的安全报警，它的报警时效、报警的多种功能、可靠性等都明显的好于市面上大多产品。可以很好的去的改善如今的传统燃气报警器存在的一系列问题，主要是用于很有可能发生可燃气体泄出的地点，检测可燃气体有无泄出，从而免发生燃气事故，保障大家人生及财产安全。对于传统的燃气报警有费用低，广域，反应迅速，故障率低，易操作等特点。1.2市场现状通过两个多星期的走访调查发现，目前国内可燃气体传感器的大都目前都是传统的独立式的燃气报警器，存在不灵敏，使用成本高，容易损坏等一系列的问题，存在很多的安全隐患，其中很多燃气报警器出现了开煤气十几秒后，甚至闻到煤气味后，都不能及时的报警。使用寿命有的很短，而且无法智能化的上传到自己的设备上，随着如今智能化家居的普及，家中所有的东西几乎都可以联网，而最为重要的报警器却不可以联网，这无疑我们平时所忽视的。2020这一特殊的一年，疫情催生出了宅经济，呆在家里的人越来越多，因此我们要更加重视在家中的燃气泄漏问题。通过NB-IoT技术可以很好的将燃气报警器联网，从而实现实时检测，市场空间巨大，是十分值得探索研究的。智能消防烟感将会有千万级别的市场潜力，如今现在很多的无论城市还是农村的燃气报警器的年限都将要到达，如今是更换的很好的一个时机，目前市场大约一下几种燃气报警器消防款，液化气款，数显款，NB-IoT款。NB-IoT款具有成本低，智能化等优势，但是普及率不是很高，很有前景。目前可燃气体报警器市场仍存在覆盖面积不够大、网络吞吐量不够多、终端的耗能很高等一系列问题，随着居民安全意识的增加还有智能化家居家用设备的发展，现在客户想要更换基于NB-IoT技术的可燃气体报警器设备的意愿也是愈发强烈，国内的可燃气体报警正是发展的黄金时期，未来随着NB-IoT芯片的陆续普及，以后这种燃气报警器将有机会占据燃气报警器市场的半壁江山。1.3研究现状2021年全球经历的2020的不一样的特殊一年，目前国内半导体行业经历缺芯潮，但今年也是物联网行业景气的一年，加速各项产业的洗牌，国产替代化的步伐悄然而至，国内物联网行业迎来了黄金的一年。现如今，随着万物互联，目前更多的身边的设备都可以互连起来，可以在家远程遥控家中的电视空调，一到家就可以享受到自己想要的服务。如今国内的，物联网连接数量大概约为7亿，大部分是2g连接，不过现在2g的退网趋势愈来愈明显，NB-IoT承接的被寄予厚望，目前国内已经有四百多个城市，联通了NB-IoT网络，2021更是规划了6万座的连接站。。根据有关数据表明2020年NB-IoT连接的数量规模是达到了3500万，有专业人士预计到2021年，NB-IoT的连接数将会至5000万个。NB-IoT技术更是物联网里面十分重要的一块领域，国内外市场都在争相抢占这一块蛋糕，小型化，低耗化，敏捷化是比较重要的方向，此项技术对于低功耗的市场领域有很好的利用场景，随着国家节能减排，实现碳达峰，和碳综合的指引下，空间巨大物，NB-IoT技术有十分小的功耗，并且可以进行广泛的互联，他的成本优势尤为明显，可以预见NB-IoT技术会在国内的小型的低功耗的物联网领域占领巨大的市场。1.4意义有害气体报警器不但可以适用于家庭，而且适用于井下作业生产，他的报警反应速度、报警功能的全面性、可信赖程度都强于市面上现有产品。可以有效的改善现有的燃气报警器存在的一系列问题主要是用于很有可能发生可燃气体（如天然气、人工煤气）泄漏的场所，检测可燃气体有没有泄出，从而避免发生有害气体泄漏事故，保障大家生命及财产安全。对于传统的燃气报警有费用低，广域，反应迅速，故障率低，易操作等特点。如果利用基于NB-IoT的可燃气体报警那么一切将会改善。但是，如今市场现状是现在还是由很多人每年，尤其是冬季因为燃气泄漏事故导致大家的生命财产饱受威胁，因此这个项目可以让我们能够减少这些事故发生，从来来保护大家生命安全。第二章燃气报警器系统的总体设计基于NB-IoT的有害气体报警器设计，要实现的功能主要是：实现目前环境下显示出当前可燃气体的浓度，当检测到有害气体的浓度超过了设定的一定阈值的时候，蜂鸣器发出报警的声音BBB，报警灯亮起，产生报警，显示器可以显示当前有害气体的浓度，并且通过onenet云平台实现智能化管理。利用各类传感器和硬件模块，以C51单片机为控制单元，NB-IoT技术作为支撑，燃气采集模块通过A/D采样得到的数据传回控制单元，声音模块也通过A/D采样将得到的数据传送到控制单元，通过可燃气体传感器可以知道，周围可燃有害气体的浓度，当浓度超过一定的范围区间时，相应的蜂鸣报警器发出报警声，显示模块通过A/D采样得到数据发出，输出信号到显示模块，显示模块显示有害气体得浓度。这样实现对有害气体浓度的实时监测，并且可以根据所得到的监测结果，做出智能化的管理，并且将所得到的数据结果上传到中心控制台，实现对相关系统的实时监测控制，同时通过NB-IOT模组把所得到的数据上传到onenet云平台，实现物联网下监控。最终有效实现，对燃气报警器系统的智能化管理控制。该系统以C51单片机为核心芯片，整个项目使用AT89C51单片机作为MCU，总体的电路里含有51单片机，然后要确实我们所使用的可燃气体传感器，这里可燃气体检测传感器mq2，显示模块选用LCD，蜂鸣报警器模块，还有NB-IoT模块，红绿指示灯模块，其中可燃气体传感器模块是随着可燃气体浓度的变化而变化，然后利用电阻通过转换的电路和信号，可以将变化的电压反应出来，再通过A/D转换将数字信号传入51单片机，通过滤波处理得到可燃气体浓度值，利用几个传感器采集需要采集的有害气体浓度的参数，然后利用NB-IoT网络多点分布式输出到协调器，协调器根据所制定的规则处理所上传的数据，并且来控制蜂鸣报警器系统，红绿灯报警，和浓度显示系统。当有害气体传感器监测到，有害气体浓度正常时，没有超过一定的区间，报警器正常工作，不报警。电源灯保持绿地亮起，当系统监测到有害气体浓度超过一定的阈值时，根据传感器检测到的浓度，电源灯绿灯熄灭，报警器报警灯亮起，蜂鸣器发出报警bbb的声音，lcd显示器相应的显示有害气体浓度，并且通过NB-IoT模块，将所得到的数据上传至云平台。当有害气体浓度，降低的系统设置的阈值，蜂鸣报警器停止报警。图1：总体设计图第三章燃气报警器系统模块硬件电路设计3.1有害气体传感电路设计此实验设计中最基本的模块是可燃气体传感器检测模块，此实验选用MQ2传感器，它主要监测气体：甲烷，煤气，一氧化碳。本实验通过AT89C51单片机结合气体传感器技术和其他通信技术来实现对可燃气体浓度的监测。MQ2传感器电路图如图2所示。检测原理：检测的环境中随着一氧化碳浓度的增加，电导率也增加，SNO2形成氧的负离子吸附，会吸附杂散的气体设计原理：AT89C51单片机是主控制器，如上图中R2的电阻值大小是一定的保持不变，可燃气体传感器MQ2自身的电阻值会根据有害气体的浓度变化，当有害气体的浓度升高时，阻止会相应的降低，电阻R形成门槛电压，当可燃气体的浓度所形成的电压大于电阻R形成的门槛电压时，将会输出低电平，传到下面的模块，反之，当所形成的浓度小于电阻R形成的门槛电压的时候，会相应的输出高电平。然后经过ADC的转换，改变数值，最后将数据然后传到51单片机中。图2：可燃气体传感器模块原理图3.2红绿灯指示电路设计实验中可以通过红绿灯指示电路可以来直接观察环境中的有害气体浓度是否超标，本实验通过AT89C51单片机结合红绿灯显示电路，如下图，20口接到C51单片机上的21口，25口接到单片机上的26口，当单片机接收到可燃气体传感器的可燃气体浓度时，控制IO输出高电平或者低电平就可以达到要求，当电源接通时，输入高电平绿灯正常亮起，报警灯没有反应。输出是低电平时绿灯熄灭，报警灯亮起。图3：红绿灯指示电路3.3蜂鸣报警模块电路设计在本实验中需要蜂鸣报警模块来警示反应可燃气体浓度的超标，发出警报，因此需要用到蜂鸣报警器，综合考虑此地方采用无源的蜂鸣器，此蜂鸣报警器可以基于AT89C51单片机可直接连接到单片机的I/O进行使用，是一个通用的蜂鸣器驱动模块。本实验通过调整输出电平的占比空间来进行控制声音夺得大小，可以通过改变单片机引脚的输出波形频率，调整更改它的音调，从而可以发出BBB的报警声。如图beep接口接到51单片机上的22口，当51单片机接收到传感器浓度的信号的时候，由22口传入到蜂鸣报警电路里，里面电阻如图r12电阻为10K，蜂鸣器之间有个MOS管是由金属半导体氧化物组成的半导体形场效应管，是绝缘栅型，可以来开关电路，工作原理是依靠漏极D和源极S之间的PN结。当源电压为0时候，PN反偏，这时候没有电流通过，蜂鸣报警器不发出声音。当有电压通过时候，N管会进行导通，只要栅极电压是4或者10V时候，会有电流的产生，蜂鸣报警器发出BBB的报警声音。图4：蜂鸣报警器电路设计3.4NB-IoT模块电路设计NB-IoT模块是本实验的核心，通过NB-IoT技术将可燃气体传感器所采集到的数据传入至其他模块。该方案中NB-IoT采用WH-NB75-BA，是一款插针式，多频段的模块，他可以先实现国内全网覆盖，可以免费接入到云服务，广覆盖，大连接单，应用广泛、价格低廉、单片机与NB-IoT模块通过串口互连等优点，大大简化了开发难度。同时NB-IoT模块可以用作与onenet连接的数据传输。此实验中，配置成外部中断模式，IO是下拉输入模式，平时输入状态是低电平，来保证产品稳定性，VCC为模块提供稳定的电压，NB-IoT，接口10和11接入到C51单片机的10，11口，当检测主控接收到可燃气体浓度的数据时，经过传输至NB-IoT模块，当有害气体的浓度高于NB-IoT模块设置的阈值时，NB-IoT模块会发送消息上传至后台，NB-IoT由三种工作模式，不工作时可以进行待机省电。NB-IoT的接口如图5所示，引脚8接地，通过单片机口11发送的数据接到NB-IoT口10，接收信息，再经过窄带物联网协议从自身口11发送但单片机口10，通过口17接电源给模块供电，图5：NB-IOT模块电路设计3.5显示电路设计本实验此显示电路由基于AT89C51单片机基础的数码管显示，由滑动变阻器R1-1进行控制，通过改变电阻的大小，从而可以改变电流的大小，来控制显示电路，如下图所示，当开关闭合前使电路最大，数码管不显示可燃气体浓度的大小，当开启电路，滑动变阻器进而移动，减小电阻的大小，根据可燃气体传感器传来的数据相应的更改，数码管上显示的可燃气体浓度的大小。如图6所示：本实验采用lcd显示，通过引脚3可以调节显示的亮度大小，通过cs引脚来接收所传来的可燃气体的浓度数据，通过引脚15来调整电路中的阻值从而改变电路通过电流的大小再通过reset来复位引脚，通过低电平可以让lcd进行复位。图6：lcd显示模块电路设计2硬件接口设计实验中硬件接口也是十分关键一部分，首当其冲的就是电源的接口，设计中STC89C51单片机20口接地，40口VCC接电源，32到39口连接排阻，按键口接到9rst，10和11分别是RXDTXD，可燃气体传感器5，6口并联接入单片机口22，7口接入单片机23，电源灯直接接地即可，显示灯接单片机p21口，报警灯接入26口，lcd显示器19，20口并联接地，1口接入地面，2口接入电源vcc，3口接到滑动变阻器，调整电阻来控制电路，报警灯beep接入单片机的22口，然后自身接电源，NB-IOT模块，1，2口接UART_TXD和UART_RXD，然后连接到单片机上的10，11口，8口接入地面，26，27口并联接地，29，30口并联接地，16口接入电源。图7：硬件电路连接第四章燃气报警器系统的模块软件设计4.1有害气体传感模块软件设计有害气体传感器模块首先要进行初始化，我们将初始值设置为0，然后开启总开关，开始采集信号，然后将所采集的信号进行AD转换，看是否有误，无误上传至单片机，并储存下发至其他模块主要代码，和操作步骤如下：uchartemp; //用于读取ADC数据ucharyushe_yanwu=255; //可燃气体预设值//ADC0832引脚定义sbitCS=P2^4;//片选使能位，定义为P1^0引脚sbitCLK=P2^3;//时钟脉冲输入位，定义为P1^1引脚sbitDIO=P2^0;//数据信号输入/输出，并联使用。定义为P1^2引脚、//ADC0832函数Vc为回路电压即电源电压，其加在MQ-2传感器的1脚、3脚之间。U输出是传感器4脚、6脚输出的电压，Rs为传感器的体电阻。其中若有害气体的气体浓度上升，那么电阻Rs会减小。随着电阻Rs的减小则会导致，MQ-2的4脚、6脚对地输出的电压上升。所以有害气体的气体浓度上升，与之相应的输出的电压也会上升。ucharAD(){ uchari,dat1=0,dat2=0; //第一个周期：转换开始 CS=0; CLK=0; DIO=1; _nop_();_nop_();//短暂定时2us——也可以写成delay2us();，那么程序就要有delay2us();的定义了。 CLK=1;_nop_();_nop_(); //第二个周期：选择选择单通道还是双通道DIO=0双通道差分或DIO=1单通道 CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_(); CLK=1;_nop_();_nop_(); //第三个周期：DIO选择CH1-->如果DIO=0选择CH0 CLK=0;DIO=0;_nop_();_nop_(); CLK=1;DIO=1;_nop_();_nop_(); //等待 CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_(); //4-11,共8个下降沿读取数据(MSB->LSB)先进来的为最高位，后进来为最低位 for(i=0;i<8;i++) { CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;_nop_();_nop_(); dat1=dat1<<1|DIO; } //11-18共8个下降沿读取数据(LSB->MSB)先进来的为最低位，后进来为最高位 for(i=0;i<8;i++) { dat2=dat2|((uchar)(DIO)<<i); CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;_nop_();_nop_(); } //禁止片选 CS=1; //如果MSB->LSB和LSB->MSB读取数据结果相同，返回读取结果，否者0 return(dat1==dat2)?dat1:0; }/********************************************************************************函数名:UsartInit()*函数功能 :设置串口*输入:无*输出 :无*******************************************************************************/voidUsartInit(){ SCON=0X50; //设置为工作方式1 TMOD=0X20; //设置计数器工作方式2 PCON=0X80; //波特率加倍 TH1=0XF3; //计数器初始值设置，注意波特率是4800的 TL1=0XF3; ES=1; //打开接收中断 EA=1; //打开总中断 TR1=1; //打开计数器}voidUART_SendByte(unsignedchardat){SBUF=dat;while(!TI);//等待发送数据完成TI=0;//清除发送完成标志位}//主程序voidmain(){ init();//1602初始化 led_lvdeng=0; while(1) { temp=AD();//adc0832读取烟雾实时烟雾值 display_1602(yushe_yanwu,temp);//显示预设的烟雾阈值 if(temp>=yushe_yanwu)//当实时的烟雾值大于烟雾阈值时4.2红绿灯指示模块软件设计红绿指示灯显示模块主要是能够直观反应可燃气体浓度是否超过一定阈值，正常启动时，电路加载完成后，指示灯正常显示亮绿灯，接收上位机数据指令，可燃气体浓度超过阈值时，绿灯熄灭，led红灯亮起，若不超过红灯不亮，绿灯正常显示主要显示代码如下：sbitled_yanwu=P2^0; //烟雾报警灯sbitled_lvdeng=P2^5; //1毫秒延时程序（不精确）voiddelayms(uintms){ uchart; while(ms--) { for(t=0;t<120;t++); }if(qiti1＞limit)led1=0;elseled1=1;led_yanwu=1;//烟雾报警灯亮4.3蜂鸣报警模块软件设计基于c语言的最基本的蜂鸣报警系统，根据所要的ad转换的功能编写出所需要的代码，并在最后新建程序MQ2_Task()

，这是用取来循环获取ADC的值，当ADC的值超过设定的阈值时，启动PWM使蜂鸣报警器发出BBB的报警声，用于对身边的人进行报警。主要显示代码如下：sbitbaojing=P2^1; sbitled=P2^7;sbitbeep=P1^5;//蜂鸣器uchardisp1[]="00%00%00%00%";uchardisp2[]="limit:00%";ucharlimit=10;//报警值

4.4NB-IoT模块软件设计NB-IoT模块是本线实验中最为关键的模块，通过单片机将有害气体的浓度给模块，NB-IoT模块再将可燃气体浓度数据传送到云平台，可燃气体浓度数据经过和与书的触发器设置的可燃气体浓度报警阈值通过比较大小，观察是不是需要报警。Onenet平台可用qq，微信，手机等各种方式从而向用户发出报警消息，从而将有害气体的浓度所测的数据发送到设备上，onenet云平台可以自动采集有害气体浓度的数据，然后经过编写通信的代码，并且进行验证，通过窄带通信协议，来进行数据的上传，因此实验中需要把中断开关关闭，否则可能会出现乱码，此实验采用的晶振，不需要加倍波特率，设置值是9600。。函数如下：需要实现和51单片机的连接。相关变量的定义OLED_Init();keys_init();oled_display_information();4.5显示模块软件设计显示模块设计主要根据可燃气体传感器传来的气体，显示预设的可燃气体阈值，先验证是否处于工作状态，当显示工作状态正常时显示，显示器忙时，说明出现问题无法显示，若正常则发送相应字符串，然后根据ADC转换成数值在显示器上显示相应的浓度进行显示输出然后整个设计流程结束emp=AD();//adc0832读取烟雾实时烟雾值display_1602(yushe_yanwu,temp);//显示预设的烟雾阈值第五章燃气报警软硬件调试整个硬件调试先需要的是检测能否电源能不能通电，那么就先看usb供电，电压是5v，打开电路后，电源灯随即亮起，那么就说明这个电路有电，可以继续下一步骤，然后观察显示灯的状态，正常情况下应该是显示绿灯，要是显示灯电路不通那么就需要调试显示电路，接着测试蜂鸣报警器模块，看能否发出报警声，这是最基础模块，如果可以的话就会发出bbb的报警声，最重要的模块是可燃气体传感器模块，先查看可燃气体传感器模块是不是正常输出电压，如果正常输出电压，大概的值合理为0.25左右，当可燃气体浓度上升导致输出电压超过所设区间的时候，模块的电压会相应的随之降低，大约在3分钟，电压会降低至0.39V，在这之后，可燃气体传感器模块的电压一直减小，几分钟之后其