CN108629950B - 基于esp8266的间歇式烟雾检测报警设备 - Google Patents

基于esp8266的间歇式烟雾检测报警设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，所述的检测报警设备包括壳体，壳体内有：烟雾传感器、低功耗运放构成的比较器、蜂鸣器报警、ESP8266模块。它涉及检测报警系统技术领域：烟雾传感器模拟量，一路接到比较器，当浓度超过设定阈值时触发蜂鸣器报警；另一路接入到ESP8266的ADC引脚，读取烟雾浓度的数字量并保存到内置的Flash文件中；数字量超过设定的阈值，启动WiFi，通过移动物联网平台把报警信息告知用户；ESP8266模块定时把烟雾浓度历史数据发送至平台，供用户随时查询；ESP8266模块绝大部分时间处于深度睡眠模式，以降低功耗，只有闹钟定时到/比较器输出触发其退出深度睡眠模式进入工作模式；设备采用了MicroPython固件和Python代码，实现了烟雾检测、与平台交互通信的全部功能，代码简洁、可靠性高。

Description

基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备
技术领域
本发明涉及一种能够连接互联网的、间歇式烟雾检测报警设备，属于计算机技术领域。
技术背景
随着社会的不断进步，经济的快速发展，如今城镇化脚步更是突飞猛进，城镇的各项设施也日益完善，随处可见的高楼大厦让人望而生畏，然而，人们始终最关心的还是安全性问题。现在，不管是普通家庭建筑还是商业化高层住宅，火灾和其他安全隐患不仅带来巨大的经济损失更会给人心灵带来挥之不去的创伤。因为楼层众多，人员密集，一旦发送紧急火灾，疏散困难，补救也更困难，势必会造成严重的人员伤亡和财产损失。
在日常生活中，可燃气体已成为不可或缺的一部分，供暖、供热、供气都需要可燃气体，但是如果使用不当，造成可燃气体外泄，会对周边环境带来严重影响，甚至会威胁到人们的生命财产安全，造成难以估量的损失。现阶段普遍使用的烟雾检测仪，只能检测空气中烟雾并报警，并不能将检测信息及时发送到用户手机。如果人员外出，并不能起到及时有效的示警作用，且实时性和便捷性都不强。
经过对现有文件的检索，查找到中国专利申请号201610046900.1，名称为“一种智能可燃气体检测仪及其检测方法”。该技术提供了一种基于ESP8266WiFi的可燃气体检测方法。这种检测方法只是利用了ESP8266的WiFi模块传输功能，还需要外接一颗单片机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供了一种基于ESP8266的可连接互联网、间歇式烟雾检测报警设备，实现了对室内烟雾的间歇式检测、蜂鸣报警、历史数据查看、设备通过无线AP自动上网向用户推送报警信息等功能。不仅能在烟雾(可燃气体)泄漏初期便进行检测报警，将危害降低到最小，还能降低系统功耗，提高电池使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，包括壳体，壳体内设有烟雾传感器、低功耗运放构成的比较器、2个二极管组成的与门，蜂鸣报警器、ESP8266WiFi模块，所述烟雾传感器分别与所述比较器、ESP8266WiFi模块连接，所述比较器的输出端与ESP8266WiFi模块的输出端分别与所述2个二极管组成的与门的输入侧连接，所述2个二极管组成的与门的输出侧与所述蜂鸣报警器连接。
烟雾传感器模拟量，一路接到比较器，另一路接入到ESP8266WiFi模块的ADC引脚；ESP8266WiFi模块在工作模式时，可以启动WiFi，通过家庭/单位的无线AP，与移动物联网平台交互通信；平台负责与用户交互；用户通过智能手机/电脑，获取烟雾浓度的历史数据、当前数据，以及浓度超标的告警信息，实现远程自动报警和监控功能，降低危害。
进一步，所述的ESP8266WiFi模块，既是接入无线AP的WiFi传输通道，又是主控CPU模块，因此无需再添加额外的微处理器和烟雾传感器模拟量转换为数字量的AD转换芯片，精简了系统结构、降低成本和功耗。内置微处理器的运行模式分为工作模式和休眠模式，在工作模式下电流约为80mA，在休眠模式下电流为10uA，且在2ms之内唤醒、连接并通过WiFi传递数据。本发明的设备采用电池供电，同时考虑到在一般家庭/单位，烟雾(可燃气体)浓度的聚集不是突发的，因此设备采用间歇式工作方式，以降低功耗，延长电池使用时间。所述可燃气体间歇式检测报警设备只在工作模式下进行可燃气体检测，睡眠模式下不进行可燃气体检测，降低系统功耗，提高电池使用寿命。
再进一步，烟雾浓度越高，所述系统的烟雾传感器的模拟量输出值越大。为了尽量降低功耗，ESP8266WiFi模块处于深度休眠模式。烟雾传感器的输出，经过由一颗超低功耗、低噪声运算放大器(如TI公司的TLV6002轨到轨运放)构成的比较器，比较器的输出经过2个二极管构成的与门电路连接到ESP8266WiFi模块的复位(RST)引脚。当烟雾浓度超过某一阈值时，比较器的输出来唤醒进入深度休眠的ESP8266WiFi模块。
更进一步，烟雾传感器的模拟输出同时也连接到ESP8266WiFi模块的ADC端口。当ESP8266WiFi模块处于工作模式时，把AD转换后的烟雾浓度数值保存下来，作为历史记录用，也可以定时通过WiFi把每天的记录一次性地发给服务器。
ESP8266的GPIO16引脚经过2个二极管构成的与门电路连接到ESP8266WiFi模块的复位引脚。设置ESP8266WiFi模块的实时时钟(RTC)为闹钟，当闹钟定时时间一到，由GPIO16管脚触发复位引脚，把ESP8266从深度休眠状态唤醒。ESP8266检查到是由闹钟复位引起的复位，则用ESP8266的ADC端口，把烟雾传感器的模拟值转换成数字值并保存起来，作为烟雾浓度的历史记录值。
所述ESP8266WIFI模块GPIO通过一个三极管与蜂鸣器连接，控制蜂鸣器的开启和关闭。当烟雾浓度大于一定阈值时，ESP8266WiFi模块的GPIO触发蜂鸣器工作，实现报警功能。
所述系统的程序代码由MicroPython完成，MicroPython的代码保存在内置Flash中，主程序为main.py。Python代码实现配置WiFi模块，与家庭/单位的无线AP连接，并通过无线AP、移动物联网平台与智能手机/电脑交互通信，以实现与用户的交互功能；Python代码实现配置RTC为闹钟，定时唤醒ESP8266WiFi模块，并通过ADC检测烟雾的浓度并记录到内置Flash的文件中；Python代码实现定时上传烟雾浓度等信息上传给服务器，作为烟雾浓度的历史记录；Python代码实现内置CPU和WiFi模块处于深度睡眠状态，等待RTC定时唤醒或者烟雾浓度大于阈值使得比较器触发唤醒，以实现低功耗，延长电池使用。
本发明中，所述ESP8266WiFi模块内置了一颗高性能的32位、速度高达160MHz的CPU(Tensilica L106)和至多4MB大小的Flash，并且，WiFi协议栈只占CPU的20％，剩余的80％以及内置4MB Flash都未使用到，可用于二次开发。另外，ESP8266在深度睡眠保持电流为10uA、关断电流小于5uA，功耗非常低；微处理器还内置了10bit高精度ADC和实时时钟RTC。本发明充分利用ESP8266微处理器的软硬件，精简了外围元器件，降低了系统功耗，大大延长电池使用寿命。
本发明有益效果主要表现有：
1、充分利用ESP8266WiFi模组内置的32位Tensilica L106微处理器功能，无需外加其他控制器和ADC转换芯片，在达到简化系统和节省成本的目的。
2、系统采用MicroPython编程，代码简洁，程序运行可靠。
3、间歇式监控检测可燃气体，无需24小时不间断检测。RTC闹钟定时唤醒CPU，完成烟雾检测和保存数据之后再次进入深度睡眠模式，降低系统功耗，提高电池使用寿命。
4、检测信息通过WiFi连接移动物联网平台，发送到手机客户端，也可以通过客户端查看当前/历史监测信息。
5、烟雾传感器检测由比较器和ESP8266的ADC两路完成，其中比较器是传感器的模拟量与某一阈值比较，只是一个粗略值；而10位ADC可以转换到比较精确的数值，并作为历史数据保存下列。两路检测使得系统更加可靠。
附图说明
图1为总体架构示意图。
图2为配置ESP8266上网AP的SSID与密码流程图。
图3为系统工作流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参照图1～图3，一种基于ESP8266的可燃气体间歇式检测报警设备，包括壳体，壳体内设有烟雾传感器、轨至轨低功耗运放构成的比较器、2个二极管组成的与门、蜂鸣报警器和ESP8266WiFi模块，所述烟雾传感器分别与所述比较器、ESP8266WiFi模块连接，所述比较器的输出端与ESP8266WiFi模块的输出端分别与所述2个二极管组成的与门的输入侧连接，所述2个二极管组成的与门的输出侧与所述蜂鸣报警器连接。
本实施例中，烟雾传感器输出的模拟信号，一路接入到比较器，当烟雾浓度大于某一阈值时，比较器输出为低电平，触发蜂鸣器报警，同时唤醒ESP8266WiFi模块；另一路接入到ESP8266的ADC引脚，ESP8266WiFi模块定时自动唤醒，把烟雾传感器的模拟量经过AD转换之后为10位数字量，保存在ESP8266内置的Flash中，并定时发送至移动物联网平台。ESP8266在MicroPython代码的控制下，自动通过WiFi连接移动物联网平台，通过这个平台与用户的智能手机/电脑交互通信。
当烟雾浓度低于某一个阈值时，比较器的输出为高电平，ESP8266输出也为高电平，因此蜂鸣器不工作。当比较器的输出、或者ESP8266的GPIO口，任意一个为低电平时，与门输出为低电平，蜂鸣器工作。这样设计，当ESP8266WiFi模块或者比较器失效时，另一路还能工作，使得系统更加可靠。
基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备中的烟雾传感器可选用型号为MQ-2烟雾传感器，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。故因此，MQ-2可以准确来说是一个多种气体探测器。MQ-2的探测范围极其的广泛。它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。其检测可燃气体与烟雾的范围是100～10000ppm，气体浓度越高，电压越大。烟雾传感器输出连接ESP8266WiFi模块的ADC转换引脚，烟雾传感器检测到室内泄漏的烟雾(可燃气体)并输出相应的模拟量，ESP826模块的定时唤醒，通过内置的ADC转换器将模拟量转换为数字量，保存在内置的Flash文件中，并在设定的某一时间段把数据一次性上发至移动物联网平台，实现信号的采集、传输和保存功能。
间歇式烟雾检测设备选用了ESP8266WiFi模块，该模块不仅具有WiFi上网功能，还是一颗高性能的、32位微处理器，在MicroPython固件和Python代码的控制下，实现间歇式烟雾(可燃气体)检测浓度设备的所有功能。这样不仅降低了功耗和系统硬件成本，而且提高了系统的性能和可靠性。
本实施例中，如图2所示，开关拨到“配置端”，然后再给设备上电，ESP8266WiFi模块的WiFi工作在热点(AP)模式，IP地址为192.168.4.1，密码为micropythoN，用户智能手机/电脑登录到ESP8266的AP上，然后通过浏览器和WebSocket协议与交互通信，输入接入家庭/单位无线AP的SSID号和密码，保存到ESP8266内置的Flash配置文件中，使得ESP8266获得无线上网必须的密码。
开关拨到“工作端”，然后再给设备上电，设备处于正常工作模式，ESP8266根据配置文件自动连接家庭/单位的无线AP。连接成功之后，通过socket套接字与移动物联网平台通信。
本实施例中，如图3所示，配置RTC为闹钟方式，并允许闹钟中断唤醒CPU，然后查询复位的原因。如果是闹钟触发CPU退出睡眠模式而进入工作模式的，也即定时自动唤醒，经过ADC读取烟雾(可燃气体)的浓度，并把数据保存到内置Flash的文件中，作为烟雾的历史数据；当处于某个时间节点时间段(例如晚上23:00至次日1:00)，启动WiFi连接，把一整天的烟雾浓度历史数据记录一次性上传至服务器；设备从物联网平台获取精确的时间，校准设备的RTC时间，以便获取与服务器一致的时间；然后设备关闭除了RTC之外的所有外设，再次进入深度睡眠模式，以降低系统功耗、延长电池寿命。
当烟雾(可燃气体)浓度超过设定的阈值时，此时ESP8266WiFi模块可能处于深度睡眠模式，但低功耗的比较器仍然在工作。比较器的输出一方面触发蜂鸣器报警；另一方面复位ESP8266WiFi模块，使其退出深度睡眠模式而进入工作模式。ESP8266确定是烟雾报警，则启动WiFi连接移动物联网平台，把报警信息发送至平台，由平台负责向用户推送报警信息。在此报警期间，ESP8266持续工作，不再进入睡眠模式，连续监测烟雾(可燃气体)浓度，并把信息短间隔地发送给移动物联网平台，一直到解除报警为止。如果解除报警了，则ESP8266再次进入深度睡眠模式，以降低功耗。

Claims (5)

1.一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，其特征在于：所述间歇式烟雾检测报警设备包括壳体，壳体内设有烟雾传感器、低功耗运放构成的比较器、2个二极管组成的与门、蜂鸣报警器和ESP8266 WiFi模块，所述烟雾传感器分别与所述比较器、ESP8266 WiFi模块连接，所述比较器的输出端与ESP8266 WiFi模块的输出端分别与所述2个二极管组成的与门的输入侧连接，所述2个二极管组成的与门的输出侧与所述蜂鸣报警器连接；
所述ESP8266 WiFi模块既是WiFi的传输通道，又是一颗高性能、32位的、内置10位AD转换精度的微处理器，微处理器分为工作模式和深度睡眠模式，工作模式下电流为80mA，深度睡眠模式下电流为10μA，且能在2ms之内唤醒、连接并传递数据；所述的间歇式烟雾检测报警设备只在工作模式下进行烟雾浓度检测，深度睡眠模式下不进行检测；
配置RTC为闹钟方式，并允许闹钟中断唤醒微处理器，然后查询复位的原因，如果是闹钟触发微处理器退出深度睡眠模式而进入工作模式的，也即定时自动唤醒，经过ADC读取烟雾的浓度，并把数据保存到内置Flash的文件中，作为烟雾的历史数据；当处于某个时间节点时间段启动WiFi连接，把一整天的烟雾浓度历史数据记录一次性上传至服务器；设备从移动物联网平台获取精确的时间，校准设备的RTC时间，以便获取与服务器一致的时间；然后设备关闭除了RTC之外的所有外设，再次进入深度睡眠模式；
当烟雾浓度超过设定的阈值时，此时ESP8266 WiFi模块可能处于深度睡眠模式，但低功耗的比较器仍然在工作；比较器的输出一方面触发蜂鸣器报警；另一方面复位ESP8266WiFi模块，使其退出深度睡眠模式而进入工作模式，ESP8266 WiFi模块确定是烟雾报警，则启动WiFi连接移动物联网平台，把报警信息发送至移动物联网平台，由移动物联网平台负责向用户推送报警信息；在此报警期间，ESP8266 WiFi模块持续工作，不再进入深度睡眠模式，连续监测烟雾浓度，并把信息短间隔地发送给移动物联网平台，一直到解除报警为止；如果解除报警了，则ESP8266 WiFi模块再次进入深度睡眠模式；
具有两路独立的报警系统，一路是低功耗运放构成的比较器，当烟雾传感器模拟量的值超过阈值，则比较器的输出触发蜂鸣器报警，即本地报警；另一路是由ESP8266 WiFi模块组成，当ESP8266WiFi模块处于工作模式时，把烟雾传感器模拟量经过内置的10位ADC转换为数字量；数字量超过预先设定的阈值时，启动WiFi，通过家庭/单位无线AP连接到移动物联网平台，再由移动物联网平台向用户发出报警，即远程报警，同时触发蜂鸣器，本地报警。
2.根据权利要求1所述的一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，其特征在于：所述烟雾传感器的模拟量，一路接到比较器，另一路接入到ESP8266 WiFi模块的ADC引脚；ESP8266 WiFi模块在工作模式时，可以启动WiFi，通过家庭/单位的无线AP，与移动物联网平台交互通信；移动物联网平台负责与用户交互；用户通过智能手机/电脑，获取烟雾浓度的历史数据、当前数据，以及浓度超标的告警信息，实现远程自动报警和监控功能。
3.根据权利要求2所述的一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，其特征在于：烟雾传感器输出的模拟量连接到ESP8266 WiFi模块的ADC引脚，ESP8266 WiFi模块的把烟雾浓度的模拟量转换为数字量，并保存到ESP8266WiFi模块内置的Flash文件中，作为烟雾浓度的历史数据；在预先设定的某个时间段内，把历史数据通过WiFi上传至移动物联网平台，实现了烟雾浓度的采集、保存和传输。
4.根据权利要求2所述的一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，其特征在于：所述ESP8266 WiFi模块，可配置成AP模式，用户通过智能手机/电脑连接ESP8266 WiFi模块的AP，通过浏览器和websocket协议，用户把家庭/单位无线AP的SSID和密码，保存到ESP8266 WiFi模块的内置Flash文件中，使得ESP8266WiFi模块能够通过家庭/单位无线AP与外部互联网通信。
5.根据权利要求2所述的一种基于ESP8266的间歇式烟雾检测报警设备，其特征在于：所述ESP8266 WiFi模块采用MicroPython固件和Python代码，ESP8266 WiFi模块的实时时钟RTC、模数转换AD、WiFi网络、套接字和GPIO口全部编译到MicroPython固件中，通过import加载这些模块，在main.py主程序中，实现了RTC闹钟定时、AD模数转换、WiFi上网、AP配置和GPIO输入输出。
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