基于Arduino云的一氧化碳检测报警系统的设计与实现
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常规的一氧化碳的检测和报警外，还能通过Arduino云 中的Wi-Fi模块将报警和一氧化碳浓度信息利用Wi-Fi通 信方式[5]发送给用户[5]。
wk.baidu.com
1 系统硬件设计及功能
1.1 系统硬件设计方案 本系统的硬件部分主要由一氧化碳检测模块、蜂鸣 器报警模块、电压检测模块、LED驱动模块及Wi-Fi信 息处理模块组成。系统整体结构框图如图1所示。
基于Arduino云的一氧化碳检测 报警系统的设计与实现
Design and implementation of carbon monoxide detection alarm system based on Arduino Yun 刘 艳1，张 伟2 LIU Yan1, ZHANG Wei2
（1.浙江大学城市学院，杭州 310015；2.浙江工商大学杭州商学院，桐庐 311500） 摘 要：针对设施农业温室大棚中应用燃气升温可能出现的燃气泄露问题或者一氧化碳过量，设计了一款 基于Arduino云模块的一氧化碳检测和报警系统。详细介绍了系统的总体设计、硬件设计以及软 件设计；利用Arduino自带云模块实现了报警信号的无线传输；通过实验对系统进行了测试，能 够实现一氧化碳的实时、连续、可靠检测，测试结果证明了系统具有实用性和有效性。 关键词：Arduino云；一氧化碳检测；传感器TGS5042 中图分类号：TP277 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2017)03-0020-05
0 引言
现代设施农业中，冬季里为了使大棚内的温度适合 农作物，目前应用较多的方法是采用烧煤烧气。当煤、 气燃烧时，会产生二氧化碳和其它一些杂质气体，当通 风不良，氧气不足就会产生一氧化碳，尤其是在封闭环 境下，一氧化碳和二氧化碳浓度逐渐增加，会造成人、 动物或鱼虾等一氧化碳中毒，甚至引起爆炸，生命财产 造成巨大的损失[1～3]。 设施农业场地一般都设置在野外地区，而且范围较 大，如果采用人工巡逻检测一氧化碳 的含量会有费时费力而且还不准确的 问题。针对以上问题，本文提出一种 基于Arduino云的一氧化碳检测报警 系统，该系统能自动检测温室大棚中 一氧化碳的含量，当一氧化碳含量到 达一定值时会自动报警，是温室大棚 中的必要设备。Arduino云将Arduino 开源体系结构与Linux系统整合在一 块开发板，是Arduino家族中首个无 线产品成员 。本设计采用内置Wi-Fi 功能的Arduino云控制器，给出了基 于Arduino云模块的一氧化碳检测报 警系统的设计与实现，除了能够完成
TGS5045
CLOCK
TOOLS
图1 系统结构框图
1.2 系统功能 系统上电后，绿色状态灯与红色报警灯同时亮，并 伴有蜂鸣器响声。200ms后两灯和蜂鸣器关闭，系统进 入工作模式。为了降低功耗，系统工作在低功耗模式， 约800ms唤醒一次。 在一氧化碳浓度监视状态下，状态灯每隔20s闪烁 一次表示系统正常工作；每隔5s，Arduino控制器通过 A/D转化器采集运算放大器输出的电压信号，计算当前 环境的一氧化碳浓度，并累计当前浓度下持续的时间： 1）当一氧化碳浓度大于等于50ppm，小于100ppm时， 累加低浓度持续时间；2）当一氧化碳浓度大于等于 100ppm，小于300ppm时，累加低、中浓度持续时间； 3）当一氧化碳浓度大于等于300ppm，累加低、中、高 浓度持续时间。当低浓度时间达到60分钟，或中浓度时 间达10分钟，或高浓度时间达到3分钟，系统进入报警 状态。报警状态下，红色报警灯以2.5Hz的频率闪烁， 蜂鸣器发出>85dB的报警声，且通过Wi-Fi发送报警信息 给大棚片区负责人，且每隔1s采集当前环境下的一氧化 碳浓度。当一氧化碳浓度低于50ppm，并且持续1分钟 后，报警状态停止。红色报警灯停止闪烁，蜂鸣器停止 报警，给负责人发送警报解除信息。系统又进入一氧化 碳浓度监视状态。 当电池电压低于3.6V时，报警指示灯每隔20s闪烁 一次，并伴随蜂鸣器鸣叫一次，并通过Wi-Fi接口给用 户发送一个更换电池的提示，提醒用户更换电池。 任何状态下，按下测试/复位按键后，系统初始 化，检测状态指示灯、报警指示灯以及蜂鸣器的工作状 态，并初始化一氧化碳浓度检测的持续时间。
图3 电压检测电路图
2.3 LED驱动电路 系统状态指示灯及报警灯采用高亮LED，驱动电流 为20mA左右。由于所采用的I/O无法提供这么大的驱动 电路，但单个引脚的灌电流却可以达到40mA，所以选 用低电平点亮LED驱动电路，电路原理如图4所示。
2 系统各功能模块设计
2.1 一氧化碳检测 一氧化碳浓度检测采用TGS5042一氧化碳传感器[6]， 该传感器具有温度漂移低、精度高、寿命长及对其他气 体干扰敏感性低等特性。TGS5042主要通过与一氧化碳 发生化学反应产生电信号来工作，电路原理如图2所示。
2.2 电压检测电路 此系统采用电池供电，电压随着电池性能的降低而 逐渐减小。由于微处理器的A/D转换器基准电压为微处 理器供电电压，为使A/D转换的结果更加准确，并在电 压降低到一定程度时提醒用户更换电池，需要专门电路 检测电池的当前电压。 系统使用NNCD3.0DA稳压管生成3.0V恒定电压， 通过微处理器的A/D转换功能，计算出当前电池电压， 从而为一氧化碳传感器输出信号提供准确的A/D基准电 压值，并在电池电量过低时产生报警，电压检测电路如 图3所示。
VDD Ardiuno YUN VCC
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VDD
⬉⑤5V
⢊ᗕᣛ冫♃
VDD I/O
I/O I/O WDT
3V
AN2 A/D
AN3
Wifi RESET ԡ/⌟䆩 ⠛Ϟ䇗䆩
COӴᛳ఼ HA1630S03
收稿日期：2016-11-30 基金项目：国家自然科学基金面上项目（61673348）；浙江省杭州市农业科研项目（20160432B26）；大学生科研项目 （X2016522044） 作者简介：刘艳（1981 -），女，山东临沂人，讲师，工学博士，研究方向为嵌入式系统设计、视觉测量与控制等。 【20】 第39卷 第3期 2017-03
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常规的一氧化碳的检测和报警外，还能通过Arduino云 中的Wi-Fi模块将报警和一氧化碳浓度信息利用Wi-Fi通 信方式[5]发送给用户[5]。
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1 系统硬件设计及功能
1.1 系统硬件设计方案 本系统的硬件部分主要由一氧化碳检测模块、蜂鸣 器报警模块、电压检测模块、LED驱动模块及Wi-Fi信 息处理模块组成。系统整体结构框图如图1所示。
基于Arduino云的一氧化碳检测 报警系统的设计与实现
Design and implementation of carbon monoxide detection alarm system based on Arduino Yun 刘 艳1，张 伟2 LIU Yan1, ZHANG Wei2
（1.浙江大学城市学院，杭州 310015；2.浙江工商大学杭州商学院，桐庐 311500） 摘 要：针对设施农业温室大棚中应用燃气升温可能出现的燃气泄露问题或者一氧化碳过量，设计了一款 基于Arduino云模块的一氧化碳检测和报警系统。详细介绍了系统的总体设计、硬件设计以及软 件设计；利用Arduino自带云模块实现了报警信号的无线传输；通过实验对系统进行了测试，能 够实现一氧化碳的实时、连续、可靠检测，测试结果证明了系统具有实用性和有效性。 关键词：Arduino云；一氧化碳检测；传感器TGS5042 中图分类号：TP277 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2017)03-0020-05
0 引言
现代设施农业中，冬季里为了使大棚内的温度适合 农作物，目前应用较多的方法是采用烧煤烧气。当煤、 气燃烧时，会产生二氧化碳和其它一些杂质气体，当通 风不良，氧气不足就会产生一氧化碳，尤其是在封闭环 境下，一氧化碳和二氧化碳浓度逐渐增加，会造成人、 动物或鱼虾等一氧化碳中毒，甚至引起爆炸，生命财产 造成巨大的损失[1～3]。 设施农业场地一般都设置在野外地区，而且范围较 大，如果采用人工巡逻检测一氧化碳 的含量会有费时费力而且还不准确的 问题。针对以上问题，本文提出一种 基于Arduino云的一氧化碳检测报警 系统，该系统能自动检测温室大棚中 一氧化碳的含量，当一氧化碳含量到 达一定值时会自动报警，是温室大棚 中的必要设备。Arduino云将Arduino 开源体系结构与Linux系统整合在一 块开发板，是Arduino家族中首个无 线产品成员 。本设计采用内置Wi-Fi 功能的Arduino云控制器，给出了基 于Arduino云模块的一氧化碳检测报 警系统的设计与实现，除了能够完成
TGS5045
CLOCK
TOOLS
图1 系统结构框图
1.2 系统功能 系统上电后，绿色状态灯与红色报警灯同时亮，并 伴有蜂鸣器响声。200ms后两灯和蜂鸣器关闭，系统进 入工作模式。为了降低功耗，系统工作在低功耗模式， 约800ms唤醒一次。 在一氧化碳浓度监视状态下，状态灯每隔20s闪烁 一次表示系统正常工作；每隔5s，Arduino控制器通过 A/D转化器采集运算放大器输出的电压信号，计算当前 环境的一氧化碳浓度，并累计当前浓度下持续的时间： 1）当一氧化碳浓度大于等于50ppm，小于100ppm时， 累加低浓度持续时间；2）当一氧化碳浓度大于等于 100ppm，小于300ppm时，累加低、中浓度持续时间； 3）当一氧化碳浓度大于等于300ppm，累加低、中、高 浓度持续时间。当低浓度时间达到60分钟，或中浓度时 间达10分钟，或高浓度时间达到3分钟，系统进入报警 状态。报警状态下，红色报警灯以2.5Hz的频率闪烁， 蜂鸣器发出>85dB的报警声，且通过Wi-Fi发送报警信息 给大棚片区负责人，且每隔1s采集当前环境下的一氧化 碳浓度。当一氧化碳浓度低于50ppm，并且持续1分钟 后，报警状态停止。红色报警灯停止闪烁，蜂鸣器停止 报警，给负责人发送警报解除信息。系统又进入一氧化 碳浓度监视状态。 当电池电压低于3.6V时，报警指示灯每隔20s闪烁 一次，并伴随蜂鸣器鸣叫一次，并通过Wi-Fi接口给用 户发送一个更换电池的提示，提醒用户更换电池。 任何状态下，按下测试/复位按键后，系统初始 化，检测状态指示灯、报警指示灯以及蜂鸣器的工作状 态，并初始化一氧化碳浓度检测的持续时间。
图3 电压检测电路图
2.3 LED驱动电路 系统状态指示灯及报警灯采用高亮LED，驱动电流 为20mA左右。由于所采用的I/O无法提供这么大的驱动 电路，但单个引脚的灌电流却可以达到40mA，所以选 用低电平点亮LED驱动电路，电路原理如图4所示。
2 系统各功能模块设计
2.1 一氧化碳检测 一氧化碳浓度检测采用TGS5042一氧化碳传感器[6]， 该传感器具有温度漂移低、精度高、寿命长及对其他气 体干扰敏感性低等特性。TGS5042主要通过与一氧化碳 发生化学反应产生电信号来工作，电路原理如图2所示。
2.2 电压检测电路 此系统采用电池供电，电压随着电池性能的降低而 逐渐减小。由于微处理器的A/D转换器基准电压为微处 理器供电电压，为使A/D转换的结果更加准确，并在电 压降低到一定程度时提醒用户更换电池，需要专门电路 检测电池的当前电压。 系统使用NNCD3.0DA稳压管生成3.0V恒定电压， 通过微处理器的A/D转换功能，计算出当前电池电压， 从而为一氧化碳传感器输出信号提供准确的A/D基准电 压值，并在电池电量过低时产生报警，电压检测电路如 图3所示。
VDD Ardiuno YUN VCC
Ⓒ⊶⬉ᆍ 䄺ᣛ冫♃ 㳖号఼ ϝᵕㅵ B E C
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VDD I/O
I/O I/O WDT
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AN2 A/D
AN3
Wifi RESET ԡ/⌟䆩 ⠛Ϟ䇗䆩
COӴᛳ఼ HA1630S03
收稿日期：2016-11-30 基金项目：国家自然科学基金面上项目（61673348）；浙江省杭州市农业科研项目（20160432B26）；大学生科研项目 （X2016522044） 作者简介：刘艳（1981 -），女，山东临沂人，讲师，工学博士，研究方向为嵌入式系统设计、视觉测量与控制等。 【20】 第39卷 第3期 2017-03