【正文】 月 24日消息， IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群在 2022IBM論壇上公布了名為“智慧的地球”的最新策略。ＩＢＭ認(rèn)為，ＩＴ產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代ＩＴ技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。 在策略發(fā)布會上， IBM 還提出，如果在基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，不僅僅能夠在短期內(nèi)有力的刺激經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)就業(yè)，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)為中國打造一個(gè)成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺。在全球經(jīng)濟(jì)形勢低迷的同時(shí)，也孕育著未來的發(fā)展機(jī)遇，中國不僅能夠籍此機(jī)遇開創(chuàng)新樂觀產(chǎn)業(yè)和新的市場，加速發(fā)展， 擺脫經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響。 IBM 前首席執(zhí)行官郭士納曾提出一個(gè)重要的觀點(diǎn)，認(rèn)為計(jì)算模式每隔 15 年發(fā)生一次變革。 1965 年前后發(fā)生的變革以大型機(jī)為標(biāo)志，1980 年前后以個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及為標(biāo)志，而 1995 年前后則發(fā)生了互聯(lián)網(wǎng)革命。而互聯(lián)網(wǎng)革命一定程度上是由美國“信息高速公路”戰(zhàn)略所催熟。 而今天，“智慧的地球”戰(zhàn)略被不少美國人認(rèn)為與當(dāng)年的“信息高速公路”有許多相似之處，同樣被他們認(rèn)為是振興經(jīng)濟(jì)、確立競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵戰(zhàn)略。 “物聯(lián)網(wǎng)前景非常廣闊，它將極大地改變我們目前的生活方式。業(yè)內(nèi)專家表示，物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。物聯(lián)網(wǎng)利用射頻自動識別（ＲＦＩＤ）技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品（商品）的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，物物相連、天羅地網(wǎng)。 有研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì) 10 年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及，這一技術(shù)將會發(fā)展成為一個(gè)上萬億元規(guī)模的高科技市場，其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大幾十倍。所以這方面的檢測是本系統(tǒng)的一部分。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 (1)選用合適 的煤氣傳感器，對液化氣，天然氣，人工煤氣有較好的靈敏度，探測范圍可達(dá) 300~10000PPM，要求響應(yīng)時(shí)間不大于 10S。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 3方案論證與比較 煤氣控制器由 MCU 模塊，數(shù)據(jù)采集模塊， AD 轉(zhuǎn)換模塊，操作模塊，顯示模塊和控制模塊組成。因此用 QMN5 可做煤氣，可燃?xì)獾鹊臋z測探頭。采用氣敏元件 MQ5 采集煤氣數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)方案簡單，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短等特點(diǎn)。但該系統(tǒng)功能單一，不能確保在無人的情況下自動切斷氣源，避免災(zāi)難發(fā)生?？梢詮母旧辖鉀Q可燃?xì)怏w使用的安全問題，有效避免燃?xì)庑孤┰斐傻臑?zāi)害、爆炸、窒息、死亡等惡性事故發(fā)生。 （ 2） 方案二 采用 AT89S52 單片機(jī)， AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，其成本相對較低，在設(shè)計(jì)過程中，只需要對其 IO 口進(jìn)行操作即可。用 52 單片機(jī)完全能完成要求。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路獲得高分辨率。其電路規(guī)模屬于中等。 總結(jié) 比較以上三種方案，方案一由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低，電路設(shè)計(jì)與連接復(fù)雜。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 顯示電路方案 （ 1） 方案一 選用數(shù)碼管動態(tài)顯示，它由單片機(jī)實(shí) 現(xiàn)動態(tài)掃描，只需外接少量三極管作為驅(qū)動電路，電路簡單，便于控制，價(jià)格便宜。 （ 2） 方案二 選用液晶顯示模塊。 總結(jié) 比較以上兩種方案，方案一占用大量 I/O 資源以及單片機(jī)內(nèi)部資源，并且顯示不穩(wěn)定。 操作模塊方案 由于本設(shè)計(jì)只需要 4 個(gè)按鍵，而且 MCU 的 I/O 口資源足夠，所以每個(gè)按鍵就對應(yīng)一個(gè) I/O 口即可。 聲光報(bào)警模塊方案 該模塊由三個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器組成。蜂鳴器在煤氣濃度超過警戒值時(shí)報(bào)警。電磁閥用于關(guān)閉氣源，排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，將有毒氣體排出室內(nèi)，單片機(jī)可控制電磁閥使之關(guān)閉，自動關(guān)閉 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 氣源，并且驅(qū)動繼 電器是排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng) 。 圖 整體框架圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)為本設(shè)計(jì)的核心部分，原理下圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行判斷，并將電壓值轉(zhuǎn)化成濃度，送到顯示電路顯示其濃度，當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動聲光報(bào)警電路、控制電路。復(fù)位電路是采用按鍵脈沖復(fù)位，它是利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到目的的。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集電路 QMN5 型氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 響應(yīng)時(shí)間(trec) ≤ 10S 回路電壓（ Vc） 最大 DC 24V 恢復(fù)時(shí)間(trec) ≤ 30S 負(fù)載電陰（ Rl） 2KΩ 元件功耗 ≤ 清潔空氣中電阻 （ Ra） ≤ 2022 KΩ 檢測范圍 50 —10000ppm 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4( 在1000ppmC4H10 中 ) 使用壽命 2 年 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 QMN5 型半導(dǎo)體氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導(dǎo)體氣敏元件 ,當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí) ,其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 回路電壓 (VC) 最大 DC 24V 負(fù)載電阻 (RL) 2KΩ 清潔空氣中電阻 (Ra) ≤ 4000KΩ 靈敏度 (S=Ra/Rdg) ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) 響應(yīng)時(shí)間 (tres) ≤ 10S 恢復(fù)時(shí)間 (trec) ≤ 30S 檢測范圍 5010000ppm 基本測試電路： 圖 測試電路 使用方法及注意事項(xiàng)： VC 輸出信號 RL VRL VH 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 元件開始通電工作時(shí)，沒有接觸可燃性氣體 ,其電導(dǎo)率也急劇增加 1分鐘后達(dá)到穩(wěn)定 ,這時(shí)方可正常使用，這段變化在設(shè)計(jì)電路時(shí)可采用延時(shí)處理解決。 元件在接觸標(biāo)定氣體 1000ppm C4H10后 10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到 (Vdg Va)差值的 80%(即響應(yīng)時(shí)間 )；脫離標(biāo)定氣體 1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到 (Vdg Va)差值的 80%(即恢復(fù)時(shí)間 )。 使用條件：溫度 15~35℃；相對濕度 45~75%RH；大氣壓 力80~106KPa。避 元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。 RS 為氣敏傳感器在不同氣體、不同濃度下的電阻值， Ro 為氣敏傳感器在潔凈空氣中的電阻值，經(jīng)測量， Ro= 歐。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路如上所示，在 A/D 轉(zhuǎn)換電路中，由于只需用一個(gè)通道，所以選用 IN0， ADDA、 ADDB、 ADDC 接地， IN0 采集數(shù)據(jù)， ADC0809將 IN0 采集的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓送至單片機(jī)的 P0 口。 操作模塊電路 操作電路如下所示，該模塊可以讓用戶自己設(shè)定報(bào)警值，并且當(dāng)用戶聽到報(bào)警時(shí)，可以退出報(bào)警。按下按鍵 S5,報(bào)警值加 100；按下按鍵 S4,報(bào)警值減少 100；當(dāng)按下 S3 時(shí)確定報(bào)警值；按下 按鍵 。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 圖 操作電路 顯示模塊 圖 顯示電路 該模塊用于顯示煤氣濃度值和用戶設(shè)定的報(bào)警值。電磁閥模塊用于關(guān)閉氣源，風(fēng)扇驅(qū)動模塊用于通風(fēng)，將有毒氣體排出。燃?xì)怆姶砰y是燃?xì)夤艿腊踩汕袛嘌b置。當(dāng)發(fā)生有害的強(qiáng)烈震動時(shí)，閥門會自動關(guān)閉。電磁閥不通電時(shí)默認(rèn)關(guān)閉狀態(tài)，上電即可導(dǎo)通。 電風(fēng)扇驅(qū)動模塊 圖 圖 電風(fēng)扇驅(qū) 動電路 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序流程圖 圖 程序流程圖 MQ5 氣敏傳感器只能把煤氣濃度轉(zhuǎn)化成電阻，經(jīng)信號調(diào)理后輸出電壓信號，因此需要找到電壓和濃度的關(guān)系式，才能顯示煤氣濃度。因此可以求出每一點(diǎn)濃度對應(yīng)的電壓值，通過 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 曲線擬合，可以得出電壓和濃度對應(yīng)的關(guān)系式。 (1)CO 的電壓 濃度計(jì)算過程如下表所示： 圖 電壓 — 濃度 圖 得出電壓和濃度的關(guān)系，公式如下所示： 11* xy ? 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 （ 2） alcohol 電壓 濃度曲線： 圖 濃度 — 電壓圖 得出電壓和濃度關(guān)系公式如下： xy ? 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 (3)CH4 電壓 濃度曲線： 圖 電壓 — 濃度圖 計(jì)算公式如下： xey 6 1 8 ??? 總結(jié) 根據(jù)氣敏傳感器 MQ5 的靈敏度曲線和測試電路，擬合了 CO、alcohol、 CH4 的電壓 濃度曲線，得出了電壓和濃度的關(guān)系式。本系統(tǒng)可以檢測多種燃?xì)?，擬合的 CH4 和 alcohol 的電壓 濃度曲線可以用于系統(tǒng)檢測天然氣和alcohol 氣體時(shí)計(jì)算其相應(yīng)的濃度。下面介紹在軟件調(diào)試過程中遇見的問題及解決方法。在 ST 端給出一個(gè)至少有 100ns 寬的正脈沖信號啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，即： ADC0809_E0=0,1,0后才能啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，而我在編程時(shí)，只寫了 ADC0809_E0=0,1，所以ADC0809 不工作 。 （ 3）由于電磁閥上電導(dǎo)通，所以在檢測到煤氣濃度值超過警戒值時(shí)，單片機(jī)給控制電磁閥的三極管基極一個(gè)高電平，電磁閥關(guān)閉，當(dāng)煤氣濃度低于警戒值時(shí)電磁閥導(dǎo)通。由于單片機(jī)默認(rèn)高電平，所以主程序里一開始就要給控制繼電器的那個(gè)單片機(jī) I/O 口賦低電平。 （ 6）在計(jì)算濃度時(shí)，開始定義濃度類型為整型，取值范圍在 32678~32676之間，在檢測過程中，濃度有時(shí)候大于 32676，此時(shí)會溢出，煤氣控制器停止報(bào)警，電磁閥導(dǎo)通，風(fēng)扇停止工作，因此把數(shù)據(jù)類型改為無符號長整型。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 圖 濃度 — 電壓對照表