CN113092037A - 一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统 - Google Patents
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Abstract
本说明书一个或多个实施例提供一种天然气泄漏警报系统，通过设置天然气泄漏检测模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户，能够对室内的天然气泄漏情况进行检测，当出现天然气泄漏情况时，通过Zigbee传输模块将信息通过客户终端模块发送给客户，并通过报警模块实现报警，使客户第一时间得知天然气泄漏情况，从而及时作出应对，减少损害，提高安全性，通过设置智能旋转窗户，当检测到室内天然气泄漏情况时，自动将窗户打开进行通风换气，避免更严重的事故的发生，本系统可靠性好，功能全面，适合普通用户使用。
Description
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及天然气监控技术领域，尤其涉及一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统。
背景技术
随着城市燃气发展，燃气设施已普及各大中小城市。由于使用不当和设备老化导致的燃气泄漏爆炸或中毒事故时有发生。从发生的燃气事故分析，事故大多由天然气泄漏造成。所以，检测与预防居民生活中天然气泄漏的安全问题是十分有必要的。
目前燃气报警器的发展很不平衡，由PC机值守的大型集群监控系统虽技术先进但价格昂贵，须设专用机房和专人管理，使用范围局限于条件较好、物业管理水准较高的住宅区或单位。而一般的燃气报警器却大都存在一些缺陷，有的功能单一，可靠性差，传感器损坏不易发现，不能更换。有的产品利用燃气管道专用电磁阀控制气源，其安装需拆动原管路，须报请燃气公司派专人处理，十分麻烦，因此也难为广大用户所用。
发明内容
有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，以解决上述提出的全部或其中一个技术问题。
基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，包括天然气泄漏检测模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户；
天然气泄漏检测模块，用于检测室内的天然气泄漏情况，并将检测到的信息发送给Zigbee传输模块；
Zigbee传输模块用于将天然气泄漏检测模块检测到的信息传输给客户端终端模块、报警模块和智能旋转窗户；
智能旋转窗户用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，将窗户打开；
客户终端模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，向客户发送异常信息；
报警模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，发出报警。
优选地，Zigbee传输模块包括Zigbee终端和Zigbee协调器，Zigbee协调器用于管理各Zigbee终端，并分配各Zigbee终端的网络地址，各Zigbee终端将采集到的信息无线传输给Zigbee协调器，Zigbee协调器判断执行操作后，再将执行结果通过各Zigbee终端发送至对应的设备。
优选地，客户终端模块包括网关、GSM模块和客户终端，网关用于向Zigbee传输模块上传和接收信息，还用于将信息传送给GSM模块，GSM模块用于发送信息至客户终端。
优选地，智能旋转窗户，包括框架和窗体，窗体安装在框架内部，窗体顶部连接有转轴，转轴安插在框架内部，转轴上连接有齿轮，齿轮啮合连接有螺纹杆，螺纹杆连接有步进电机，步进电机带动螺纹杆转动，螺纹杆带动齿轮旋转，从而带动窗体旋转；
智能旋转窗户还包括单片机，单片机从Zibbee传输模块接收到天然气泄漏情况出现异常的信息时，启动步进电机，将窗体打开。
优选地，窗体顶部开设有固定孔，螺纹杆端部安装有不完全齿轮，框架中还设置有固定杆，固定杆连接有第一齿条和第二齿条，第一齿条与第二齿条分别设置在不完全齿轮的两侧，使不完全齿轮正向转动时，首先带动第一齿条移动，将固定杆插入固定孔内，之后不完全齿轮继续转动，使不完全齿轮上的齿部脱离第一齿条，并带动第二齿条移动，将固定杆移出固定孔内，不完全齿轮反向转动时，首先带动第二齿条移动，将固定杆插入固定孔内，之后不完全齿轮继续转动，使不完全齿轮上的齿部脱离第二齿条，并带动第一齿条移动，将固定杆移出固定孔内；
不完全齿轮的设置角度和固定杆的设置位置，使窗体旋转至将窗户关闭时，固定杆从框架中伸出，并插入固定孔内。
优选地，天然气泄漏检测模块包括用于检测室内天然气浓度的第一气体传感器与用于检测天然气管道内天然气浓度的第二气体传感器。
优选地，第一气体传感器包括MQ-7气体传感器，第二气体传感器包括MQ-5气体传感器。
从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的天然气泄漏警报系统，通过设置天然气泄漏检测模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户，能够对室内的天然气泄漏情况进行检测，当出现天然气泄漏情况时，通过Zigbee传输模块将信息通过客户终端模块发送给客户，并通过报警模块实现报警，使客户第一时间得知天然气泄漏情况，从而及时作出应对，减少损害，提高安全性，通过设置智能旋转窗户，当检测到室内天然气泄漏情况时，自动将窗户打开进行通风换气，避免更严重的事故的发生，本系统可靠性好，功能全面，适合普通用户使用。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书一个或多个实施例的系统工作框图；
图2为本说明书一个或多个实施例的单片机连接框图；
图3为本说明书一个或多个实施例的网关板电路原理整体结构框架图；
图4为本说明书一个或多个实施例的Zigbee下载接口示意图；
图5为本说明书一个或多个实施例的智能旋转窗户结构示意图；
图6为本说明书一个或多个实施例的不完全齿轮结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本说明书实施例提供一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，包括天然气泄漏模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户，其中天然气泄漏检测模块用于检测室内的天然气泄漏情况，并将检测到的信息发送给Zigbee传输模块，Zigbee传输模块用于将天然气泄漏检测模块检测到的信息传输给客户端终端模块，报警模块和智能旋转窗户，智能旋转窗户用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，将窗户打开，客户终端模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，向客户发送异常信息，报警模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，发出报警。
作为一种实施方式，天然气泄漏检测模块包括用于检测室内天然气浓度的第一气体传感器与用于检测天然气管道内天然气浓度的第二气体传感器，举例来说，第一气体传感器包括MQ-5气体传感器，第二气体传感器包括MQ-7气体传感器。
对于测量室内的CO气体浓度，主要是将检测到的CO气体浓度与CO标准浓度阈值进行比较分析，进而可以检测家庭天然气泄漏情况。
对于测量天然气管道内的天然气浓度，利用测量天然气管道内的不同位置的气体浓度，进行气体浓度比较分析，进而可以检测家庭天然气泄漏情况。检测的主要位置是管道进出口和管接头处的三通、弯头等管件，由于在使用过程中这些部位会受到流体的长时间冲击，腐蚀速度相较其他部分而言较快，这样容易检测出是否发生天然气泄漏。
MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷和甲烷的灵敏度很高，有长期使用的寿命和可靠的稳定性。当MQ-5气体传感器所处的管道内中存在可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃气体浓度的变化而变化。电导率的变化可以通过使用简单的电路转换成对应于气体浓度的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，选择性好，使用寿命长，稳定性可靠。MQ-7气体传感器的气敏材料是洁净空气中使用的低电导率的二氧化锡(SnO2)。通过高低温循环检测，在低温(1.5V加热)下检测一氧化碳。传感器的电导率随着空气中一氧化碳气体浓度的增加而增加。低温吸附的杂散气体在高温(5.0V加热)下清洗。电导率的变化可以通过使用简单的电路转换成对应于气体浓度的输出信号。
基于MQ系列气体传感器与ZigBee技术的自组网络相连接，MQ系列气体传感器输出的信号传输到ZigBee技术的自组网络，进行分析和处理收集到的气体浓度数据，以实现信息的传递。
采用MQ-5气体传感器和MQ-7气体传感器两种气体传感器主要是避免因其中任意一种传感器的故障而产生的误差，以减少干扰，提高系统测量准确度。
作为一种实施方式，Zigbee传输模块包括Zigbee终端和Zigbee协调器，所述Zigbee协调器用于管理各所述Zigbee终端，并分配各所述Zigbee终端的网络地址，各所述Zigbee终端将采集到的信息无线传输给所述Zigbee协调器，所述Zigbee协调器判断执行操作后，再将执行结果通过各所述Zigbee终端发送至对应的设备。
对于Zigbee协调器设计，星型结构是WPAN最简单的单跳网络拓扑结构，以协调器为中心建立无线网络，网络协调器必须为FFD设备。它的功能包括创建网络、添加成员、数据管理与上位机交互等。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后分配终端节点的网络地址，启动网络。协调器也可用来协助绑定建立安全层与应用层。在智能家居系统中，各ZigBee终端节点将采集到的传感器信息数据无线传输给ZigBee协调端，协调端由信息判断执行操作。
而客户终端模块包括网关、GSM模块和客户终端，所述网关用于向所述Zigbee传输模块上传和接收信息，还用于将信息传送给所述GSM模块，所述GSM模块用于发送信息至所述客户终端。
本网关板主芯片采用了Cortex M3市场的最大占有者——ST公司的
STM32F407芯片，外接12V电源，当开关按下闭合时，网关板有电源；当开关断开时，网关板电源全部关闭。12V输入电压经MP2359转换为直流5V电压供电。电路采用1117-3.3V电源LDO芯片把5V转为3.3V电源电压，接口采用SP3232芯片，为监控串口，可以通过串口线连接电脑通讯，下载口采用标准20针JTAG/SWD接口电路，是标准的JTAG接法，但是STM32还有SWD接口，SWD只需要最少2跟线(SWCLK和SWDIO)就可以下载并调试代码了，本系统使用SWD模式；ZigBee汇聚节点模块采用2排1.27间距的排母插座。其中20和21脚是与网关板MCU通讯的串口2接口。
应用终端选用Tiny4412开发板，它是高性能的Cortex-A9核心板，采用三星高性能的Exynos 4412四核处理器。本系统需要在该开发板上开发一个运行在Android操作系统下的智能超市系统APP。
举例来说，上述报警模块包括声光报警器。
首先通过MQ-7气体传感器检测环境中的CO气体的浓度值和MQ-5气体传感器检测天然气管道中的天然气的浓度值，接着MQ-5气体传感器和MQ-7气体传感器将采集模拟信息进行转换与处理，随后将信息传递给ZigBee终端通信模块(ZigBee与MQ-5气体传感器和MQ-7气体传感器之间设置传输协议)，ZigBee终端通信模块将信息汇集到ZigBee协调器，将最终的信息传递给网关，根据编程信息将声光报警器进行动态的调整和控制。
在检查过程中，当同时满足多个不同位置MQ-5气体传感器检测的天然气管道内天然气浓度的浓度差没有趋于0(不同位置天然气浓度没有趋于一个稳定浓度值)和MQ-7气体传感器检测环境中的CO气体的浓度值超过CO标准浓度临界值时，将立即启动声光报警。
根据家庭天然气泄漏的特点和方式，上述的天然气泄露检测优化了天然气泄漏检测技术，提高了实时监测的准确性，提高了检测的可靠性，系统功耗低,价格低，为家庭提供了保障措施。
ZigBee技术类似于CDMA和GSM网络，可以进行双向的无线通信，一般使用于距离近、功耗要求低和安全性高的无线网络通信中。星型拓扑结构采用了以ZigBee协调器为中心的网络结构，所有的设备要传输信息都需要通过协调器来进行。此结构有以下优点：1、结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强2、网络延迟时间较小，传输误差低3、容易搭建，且适用于节点数目少、中距离无线传输信息的家居系统。
本系统设计时按三层网络结构设计，自下而上分为感知层、网络层以及应用层。感知层由各传感器、调光、步进电机6组成；网络层将多功能网关和A9控制主机相结合，并通过高清HDMI在19寸显示器上运行Android 4.2操作系统；应用层可以实现整个系统的显示与操作。系统内部由ZigBee星型网络组成，终端上的可燃气体传感器的状态信息在ZigBee网络中自由传输。在家庭无人的情况下，易燃气体监测成为主要的安全问题之一。当终端设备上搭载的传感器检测到可燃气体时，会立刻将信息传送给协调器，从而触发GSM短信报警模块工作，向用户发送短信。
感知层采用Zigbee传输协议，实现气体传感器的检测以及对步进电机6的控制。
作为一种实施方式，智能旋转窗户，包括框架2和窗体1，所述窗体1安装在所述框架2内部，所述窗体1顶部连接有转轴3，所述转轴3安插在所述框架2内部，所述转轴3上连接有齿轮4，所述齿轮4啮合连接有螺纹杆5，所述螺纹杆5连接有步进电机6，所述步进电机6带动所述螺纹杆5转动，所述螺纹杆5带动所述齿轮4旋转，从而带动所述窗体1旋转；
所述智能旋转窗户还包括单片机，所述单片机从所述Zibbee传输模块接收到天然气泄漏情况出现异常的信息时，启动所述步进电机6，将所述窗体1打开；
为良好地实现对窗户的闭合控制以及检测闭合状态，本实施例的智能旋转窗户还可包括红外检测模块和固定模块，红外检测模块主要为光电式转向传感器7，该传感器设置在转轴39上，用于测量窗户的旋转角度，判断窗体110的开合程度，了解窗户是开启、闭合以及开启闭合的程度和控制电动销子1工作，固定窗体110；同时通过红外检测模块，可以判断窗体110在运动过程中是否遇障，如遇障则反馈数据给单片机3，进而单片机3控制步进电机64的运动。
红外检测模块若检测出异常值，一方面反馈数据给单片机3，由单片机进一步地控制电机的工作运转，进而带动窗户的开合，运动过程已述；另一方面则通过无线通讯模块及时发送警报信号给用户终端。
举例来说，单片机可选用CC2530型单片机，CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
本系统在工作时，当天然气达到一定浓度，触发MQ—5传感器，会立刻将信息传送给协调器，经过数据处理产生PWM波使电机反转，连接的滑动块部分循着螺纹带动窗户打开；气敏传感器将信息通过ZigBee终端设备传送到协调器，触发GSM短信报警模块工作，向用户发送短信以及时提醒用户。当天然气浓度降低到安全浓度时，重复上述步骤流程，以达到客户终端实时监控。
作为一种实施方式，窗体1顶部开设有固定孔，所述螺纹杆5端部安装有不完全齿轮7，所述框架2中还设置有固定杆9，所述固定杆9连接有第一齿条8和第二齿条81，所述第一齿条8与所述第二齿条81分别设置在所述不完全齿轮7的两侧，使所述不完全齿轮7正向转动时，首先带动所述第一齿条8移动，将所述固定杆9插入所述固定孔内，之后所述不完全齿轮7继续转动，使所述不完全齿轮7上的齿部脱离所述第一齿条8，并带动所述第二齿条81移动，将所述固定杆9移出所述固定孔内，所述不完全齿轮7反向转动时，首先带动所述第二齿条81移动，将所述固定杆9插入所述固定孔内，之后所述不完全齿轮7继续转动，使所述不完全齿轮7上的齿部脱离所述第二齿条81，并带动所述第一齿条8移动，将所述固定杆9移出所述固定孔内；
所述不完全齿轮7的设置角度和所述固定杆9的设置位置，使所述窗体1旋转至将窗户关闭时，所述固定杆9从所述框架2中伸出，并插入所述固定孔内。
通过上述设置，当步进电机6启动，控制窗体1旋转时，当窗体1旋转至将窗户关闭，固定杆9在不完全齿轮7、第一齿条8和第二齿条81的配合作用下，自动插入固定孔内，将窗体1与框架2之间锁紧，避免因窗体1与框架2之间的旋转结构，导致窗体1不稳固的状况，当窗体1继续旋转时，固定杆9自动从固定孔中移出缩回，不会对窗体1的旋转造成干扰，为了避免窗体1与固定杆9之间发生干涉，固定孔可设置为略大与固定杆9的截面。
本说明书实施例提供的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，通过设置天然气泄漏检测模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户，能够对室内的天然气泄漏情况进行检测，当出现天然气泄漏情况时，通过Zigbee传输模块将信息通过客户终端模块发送给客户，并通过报警模块实现报警，使客户第一时间得知天然气泄漏情况，从而及时作出应对，减少损害，提高安全性，通过设置智能旋转窗户，当检测到室内天然气泄漏情况时，自动将窗户打开进行通风换气，避免更严重的事故的发生，本系统可靠性好，功能全面，适合普通用户使用。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，包括天然气泄漏检测模块、Zigbee传输模块、客户终端模块、报警模块和智能旋转窗户；
所述天然气泄漏检测模块，用于检测室内的天然气泄漏情况，并将检测到的信息发送给所述Zigbee传输模块；
所述Zigbee传输模块用于将所述天然气泄漏检测模块检测到的信息传输给所述所述客户端终端模块、所述报警模块和所述智能旋转窗户；
所述智能旋转窗户用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，将窗户打开；
所述客户终端模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，向客户发送异常信息；
所述报警模块用于当室内的天然气泄漏情况出现异常时，发出报警。
2.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述Zigbee传输模块包括Zigbee终端和Zigbee协调器，所述Zigbee协调器用于管理各所述Zigbee终端，并分配各所述Zigbee终端的网络地址，各所述Zigbee终端将采集到的信息无线传输给所述Zigbee协调器，所述Zigbee协调器判断执行操作后，再将执行结果通过各所述Zigbee终端发送至对应的设备。
3.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述客户终端模块包括网关、GSM模块和客户终端，所述网关用于向所述Zigbee传输模块上传和接收信息，还用于将信息传送给所述GSM模块，所述GSM模块用于发送信息至所述客户终端。
4.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述智能旋转窗户，包括框架和窗体，所述窗体安装在所述框架内部，所述窗体顶部连接有转轴，所述转轴安插在所述框架内部，所述转轴上连接有齿轮，所述齿轮啮合连接有螺纹杆，所述螺纹杆连接有步进电机，所述步进电机带动所述螺纹杆转动，所述螺纹杆带动所述齿轮旋转，从而带动所述窗体旋转；
所述智能旋转窗户还包括单片机，所述单片机从所述Zibbee传输模块接收到天然气泄漏情况出现异常的信息时，启动所述步进电机，将所述窗体打开。
5.根据权利要求4所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述窗体顶部开设有固定孔，所述螺纹杆端部安装有不完全齿轮，所述框架中还设置有固定杆，所述固定杆连接有第一齿条和第二齿条，所述第一齿条与所述第二齿条分别设置在所述不完全齿轮的两侧，使所述不完全齿轮正向转动时，首先带动所述第一齿条移动，将所述固定杆插入所述固定孔内，之后所述不完全齿轮继续转动，使所述不完全齿轮上的齿部脱离所述第一齿条，并带动所述第二齿条移动，将所述固定杆移出所述固定孔内，所述不完全齿轮反向转动时，首先带动所述第二齿条移动，将所述固定杆插入所述固定孔内，之后所述不完全齿轮继续转动，使所述不完全齿轮上的齿部脱离所述第二齿条，并带动所述第一齿条移动，将所述固定杆移出所述固定孔内；
所述不完全齿轮的设置角度和所述固定杆的设置位置，使所述窗体旋转至将窗户关闭时，所述固定杆从所述框架中伸出，并插入所述固定孔内。
6.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述天然气泄漏检测模块包括用于检测室内天然气浓度的第一气体传感器与用于检测天然气管道内天然气浓度的第二气体传感器。
7.根据权利要求6所述的基于Zigbee技术下的天然气泄漏警报系统，其特征在于，所述第一气体传感器包括MQ-7气体传感器，所述第二气体传感器包括MQ-5气体传感器。
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