如何制作嵌入式系统来监控环境中的易燃气体

描述

嵌入式系统无处不在：汽车、家用电器、城市空间的气候监测系统、农业综合企业等等。然而，嵌入式系统最重要的用途之一是关于安全性。

原因很简单：只要使用适合您想要监控的传感器并拥有工作所需的资源（能源、连接性等），嵌入式系统就像每天 24 小时、每天 7 天工作的监护人。周，以及他们在他们的角色中很少会犯错的人。

因此，嵌入式系统在关键安全系统中特别有用，例如监控和火灾警报。

因此，在本文中，您将学习如何制作一个嵌入式系统来监控环境中的易燃气体，并通过 Telegram 在环境中有可检测到的易燃气体时向您发出警告。

因此，在世界任何地方，您都可以了解有关可燃气体的任何危险情况，这对于远程监控和火灾时的快速行动非常有用。

详细地，您将了解到：

• 如何使用 Arduino IDE 编程 ESP32
• 如何在 Telegram 上创建一个机器人供您的 ESP32 使用
• 如何使用 MQ-2 传感器监测环境中的可燃气体
• 如何让 ESP32 使用创建的 Telegram 机器人并通过 Telegram 向您发送可燃气体检测警报

什么是电报？

Telegram是俄罗斯的即时通讯应用程序/服务，目前是 WhatsApp 的主要竞争对手，拥有 Android、iOS 和后期（或几乎）Windows Phone 版本。

它的主要区别是开源的（涉及应用程序），允许创建机器人，与自毁消息（有过期日期）的秘密聊天以及从一开始就在计算机上使用的非常轻巧高效的 Web 界面（直到几年前，WhatsApp 上还不存在的东西）。

开发“使用 ESP32 和 Telegram 监测可燃气体”项目

该项目的威廉希尔官方网站 原理图见图1。

在硬件方面，该项目使用了以下组件：

• 01 x ESP32（ESP32 开发套件 1）
• 01 x micro-USB 数据线
• 01 x MQ-2 传感器（监测可燃气体和烟雾）
• 02 x 3.6kΩ / 1 / 4W 电阻
• 男女跳线
• 01x 800 点原型板
• 01 x 5V / 2A 开关直流电源，用于在没有计算机的情况下为项目供电（可选）

概括来说，该项目的原理图威廉希尔官方网站 主要分为三个部分：ESP32 Devkit 1、分压器和 MQ-2 传感器（监测可燃气体和烟雾）。下面详细查看这些部分的详细信息。

ESP32 开发套件 1 - 概述

ESP32 Devkit 1 包含一个完整的开发板​​，包含用于嵌入式设备的良好处理和内存、wi-fi 连接、蓝牙连接（经典和 BLE）、大量可用于开发的 GPIO 和多个通信接口（I²C、UART 、SPI 等）。

此外，ESP32 有两个处理器，是物联网项目的双核解决方案。一般来说，就计算资源和通信接口的数量而言，它是众所周知的 NodeMCU (ESP8266) 的一个（伟大的）进化。

此外，它的成本非常诱人，是涉及物联网概念并需要良好处理能力、内存和连接性的原型和产品的最佳替代品之一。

不幸的是，ESP32 Devkit 1 没有适合原型板的完美形状，这需要较少的常规操作即可与原型板一起使用，如图 1 中的项目原理图所示，其中只有一侧连接到原型板。

即便如此，ESP32 Devkit 1 对于想要以极具竞争力的成本进行紧凑型项目的专业人士和爱好者/制造商来说都是一个非常有趣的选择。

分压威廉希尔官方网站

如图 1 所示，MQ-2 传感器（可燃气体和烟雾）的数字信号 (D0) 和 ESP32 之间有一个分压器。

这是必要的，因为传感器的工作电压为 5V，而 ESP32 Devkit 1 的最大电压为 3.3V。因此，需要将数字传感器输出信号的电压调整到 ESP32 Devkit 1 允许的电平。

分压器可用于此任务。分压器使传递给 ESP32 Devkit 1 的电压为传感器提供的电压的一半，足以让 ESP32 在其工作电压范围内区分高逻辑电平和低逻辑电平。这样就可以在ESP32 Devkit 1上正常使用传感器了。

MQ-2 传感器（可燃气体和烟雾）

MQ-2 是一种能够检测空气中可燃气体和烟雾的传感器，检测到的气体浓度可以在 300 到 10, 000 ppm（百万分之几）的范围内。

除烟雾外，该传感器还能够检测以下易燃气体：LPG（液化石油气）、甲烷、丙烷、丁烷、氢气、酒精、天然气和其他具有易燃潜力的气体。

MQ-2 以独立传感器的形式和模块的形式出售，这就是我们在本文中使用的形式。模块形式的传感器如图2所示。

MQ-2 模块有 4 个端子，分别是：

• VDC：电源（5V）
• GND：地（0V）
• A0：模拟输出（0..5V）
• D0：数字输出（0V或5V）

在这个项目中，我们将使用 MQ-2 模块的数字输出。当在空气中检测到易燃气体或烟雾时，该输出变为高电平 (5V)，如果没有这些，则保持低电平 (0V)。

导致数字输出变高的烟雾和/或可燃气体的量/浓度由位于 MQ-2 模块后面的电位计调节。该电位器如图 3 所示。

一般而言，建议锅略高于最小值，以减少误检测烟雾和/或可燃气体的机会。

在 Arduino IDE 上编程 ESP32

ESP32 Devkit 1 可以在 Arduino IDE 中进行编程，因此使用它进行项目的开发与使用任何常见的 Arduino 非常相似。

这有助于新项目的开发以及将在其他硬件/平台上制作的其他项目移植/转移到 ESP32 Devkit 1。

Instalação da biblioteca para usar o Telegram no ESP32

您必须安装 UniversalTelegramBot 库，该库允许您在 ESP32 上使用 Telegram。

这个库可以通过 Arduino IDE 在库管理器（草图>包含库>管理库）中简单快速地安装。

在搜索字段中插入其名称 (UniversalTelegramBot) 并安装其最新版本。

创建电报机器人

ESP32 将使用 Telegram 机器人提醒您从 Telegram 检测到的易燃/烟雾气体。

因此，需要创建一个 Telegram 机器人。要创建 Telegram 机器人，请按照以下步骤操作：

• Telegram 中的所有 bot 管理都是通过称为 Bot Father (@BotFather) 的 botmaster 完成的。第一步是在 Telegram 上找到他并开始与他对话。
• 要开始创建 Telegram 机器人，请在与 @BotFather 的聊天中输入命令/新机器人。
• 将要求@BotFather 为您的 Telegram 机器人提供名称。输入不带空格和特殊字符的名称（例如：projeto_alerta_gas_bot）。
• 然后，如果名称得到了@BotFather 的批准（需要批准以确保没有同名的机器人），您将被要求为您的机器人提供用户名。您可以使用机器人自己的名称作为用户名，以 bot 结尾。
• 如果用户名由@BotFather 批准（需要批准以确保没有具有相同用户名的机器人），您的机器人将被创建！您将收到一个令牌（您的机器人的唯一密钥）和与您的机器人“聊天”的地址。将此令牌保存在安全的地方，项目的源代码中将需要它。

接下来，我将向您展示如何获取您的聊天 ID。

获取 Telegram 帐户的聊天 ID

您的个人 Telegram 帐户的 ChatId 是您帐户的唯一代码/密钥，因此它将允许 Telegram 机器人仅向您发送消息（就像您在 Telegram 上的联系人一样）。

要获取此 ChatId，请按照以下步骤操作：

• 查找 Chat ID Echo 机器人 (@chatid_echo_bot)。该机器人用于提供您个人 Telegram 帐户的 ChatId
• 发送消息/命令/开始到@chatid_echo_bot
• 然后@chatid_echo_bot 将返回您的 ChatId。将此令牌保存在安全的地方，项目的源代码中将需要它。

接下来，我将向您展示完整的项目代码。

项目源代码

至此，一切准备就绪，可以实施项目了！

该项目的源代码可以在下面找到。

使用此源代码编写 ESP32 Devkit 1 的方法与编写任何其他常见的 Arduino 非常相似：将其复制并粘贴到您的 Arduino IDE 中，将 ssid_wifi 和 password_wifi 变量的内容分别更改为 wi-fi 的名称和密码ESP32 Devkit 1 应该连接的网络，编译和上传/调度 ESP32 Devkit 1。

另外，不要忘记在 BOT_TELEGRAM_TOKEN 中替换您的 Telegram 机器人令牌（使用 @BotFather 获得），并在 auth_id 中替换您的个人 Telegram 帐户的 ChatId（使用 @chatid_echo_bot 获得）。

仔细阅读源代码注释，充分理解。

#include 
#include 
#include 

/* Definição do sensor de gás */
#define GPIO_SENSOR_GAS 34

/* Definição do token de seu Bot Telegram
(valor obtido no @BotFather) */
#define BOT_TELEGRAM_TOKEN " "
#define TEMPO_ESPERA_SENSOR 100 //ms

/* Wifi */
/* Coloque aqui o SSID (nome da rede wifi) que o
ESP32 deve se conectar
*/
char ssid_wifi[] = " ";

/* Coloque aqui o password (senha da rede wifi) que o
ESP32 deve se conectar
*/
char password_wifi[] = " ";

/* Variáveis e objetos para usar o wifi e Bot Telegram */
WiFiClientSecure client;
UniversalTelegramBot bot(BOT_TELEGRAM_TOKEN, client);

/* Coloque aqui o auth_id de sua conta telegram
(auth_id da conta que o bot deve alertar sobre o gás
*/
String auth_id = " ";

/* Protótipos */
void init_wifi(void);
void conecta_wifi(void);
void verifica_conexao_wifi(void);
void configura_gpio_sensor_gas(void);

/* Função: inicializa wi-fi
* Parametros: nenhum
* Retorno: nenhum
*/
void init_wifi(void)
{
WiFi.mode(WIFI_STA);
WiFi.disconnect();
delay(100);
Serial.println("------WI-FI -----");
Serial.print("Conectando-se a rede: ");
Serial.println(ssid_wifi);
Serial.println("Aguarde...");
conecta_wifi();
}

/* Função: conecta-se a rede wi-fi
* Parametros: nenhum
* Retorno: nenhum
*/
void conecta_wifi(void)
{
/* Se ja estiver conectado, nada é feito. */
if (WiFi.status() == WL_CONNECTED)
return;
/* refaz a conexão */
WiFi.begin(ssid_wifi, password_wifi);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
{
delay(100);
Serial.print(".");
}
Serial.println();
Serial.print("Conectado com sucesso a rede wi-fi ");
Serial.println(ssid_wifi);
Serial.print("IP: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
}

/* Função: verifica se a conexao wi-fi está ativa
* (e, em caso negativo, refaz a conexao)
* Parametros: nenhum
* Retorno: nenhum
*/
void verifica_conexao_wifi(void)
{
conecta_wifi();
}

/* Função: configura GPIO para leitura do sensor de gás
* Parametros: nenhum
* Retorno: nenhum
*/
void configura_gpio_sensor_gas(void)
{
pinMode(GPIO_SENSOR_GAS, INPUT);
}
void setup()
{
Serial.begin(115200);

/* Configura GPIO para leitura do sensor de gás */
configura_gpio_sensor_gas();
/* Inicialização e conexao wifi */
init_wifi();
conecta_wifi();
}
void loop()
{

/* Verifica se conexão wifi está ok.
Caso não estiver, refaz a conexão. */
verifica_conexao_wifi();

/* Verifica se há detecção de gás */
if (digitalRead(GPIO_SENSOR_GAS) == HIGH)
{

/* Avisa, por Telegram, a detecção do gás */
bot.sendMessage(auth_id, "ALERTA: Gas detectado!", "");
Serial.println("Gas detectado! Avisando usuario pelo Telegram...");

/* Aguarda detecção de gás acabar
(para notificar via Telegram só uma vez) */
while(digitalRead(GPIO_SENSOR_GAS) == HIGH)
{
delay(1);
}

/* Espera alguns ms para evitar que, se ocorrer
oscilações da saída digital do sensor, sejam
erroneamente detectadas como alertas. */
delay(TEMPO_ESPERA_SENSOR);
}

}

现在，我将向您介绍这个项目的完整功能。

该项目的工作原理如下：一旦连接并连接到 wifi，它将已经作为 Telegram 机器人运行。

当它检测到可燃气体和/或烟雾时，它会通过 Telegram 直接向您发送消息，如图 4 所示。

这样，只需将项目连接到可以访问已编程并准备就绪的 wifi 网络的位置！

现在，我将在PCBGOGO 印刷威廉希尔官方网站 板上提供电子项目来构建这个项目。

构建 PCBGOGO 印刷威廉希尔官方网站 板

从电子原理图中，开发了一块印刷威廉希尔官方网站 板，用于在厨房中建造一个项目。印刷威廉希尔官方网站 板在下面的 3D 视图中显示。

该项目很简单，由PCBGOGO和Robô Lúdico Brazil共同开发。现在，我将在下图中提供该项目的电子原理图。

电子原理图开发的布局设计如下图所示。

在此之后，这是 2D 视图中的结果。

将电子元件焊接到PCBGOGO 印刷威廉希尔官方网站 板上后，您可以将设备安装在外壳中，并将其安装在炉子旁边。

系统将监控警报信息并将其发送到您的 Telegram。

结论

感谢PCBGOGO PCB Factory提供用于组装项目的电子板。

此外，我感谢巴西 Playful Robot School提供所有知识来开发这个项目。

电子板和源代码的文件附在这个项目中。