基于物聯(lián)網(wǎng)的智能廚房安全系統(tǒng)設(shè)計

孫春志，胡笑林，王雪闖

（商丘師范學院 電子電氣工程學院，河南 商丘 476000）

0 引 言

由于氣體燃料具有方便易燃、綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠等優(yōu)點，近年來被越來越多的家庭使用，但氣體燃料也存在一定的危害，一旦發(fā)生泄露，輕則損傷人體神經(jīng)系統(tǒng)，重則將直接危及生命。在氣體燃料十分普及的今日，因燃氣問題引發(fā)的安全事故不勝枚舉。為加強廚房安全的日常防范，本文介紹了一種安全、高效、智能的廚房安全系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)可以很大程度上降低廚房燃氣事故發(fā)生率，保護人們的生命和財產(chǎn)安全，給人們使用廚房帶來極大的安全和便利。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)以 STC8F2K64S2作為主控，由主機和從機兩部分組成。主機是燃氣檢測系統(tǒng)，由主控電路、備用電源、氣體檢測、溫度檢測、LCD顯示以及無線通信等組成。

當系統(tǒng)檢測到燃氣、溫度和火焰時，單片機會根據(jù)接收到的模擬量判定是否已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生安全事故。當燃氣濃度、溫度、火焰超過設(shè)置的限定值時，蜂鳴器立即發(fā)出報警，并通過無線通信模塊傳遞命令給從機，使從機控制機械手臂和繼電器，對廚房進行斷電、斷氣操作[1]。系統(tǒng)整體設(shè)計原理如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

主控電路是該系統(tǒng)硬件電路的核心，它直接控制著其他外圍電路，協(xié)調(diào)各模塊工作。考慮到該設(shè)計對程序所需內(nèi)存、響應速度及硬件功能的要求，特選用具有大容量、高速度、低功耗、抗干擾強等特點的STC8F2K64S2芯片[2]，其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖1 整體設(shè)計原理框圖

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路圖

2.2 電源電路設(shè)計

電源選用TP4056，它具有外圍電路簡單、充電精度高等優(yōu)點。電池輸出端用二極管與電源適配器隔開以防止灌流。正常使用時，通過適配器為系統(tǒng)供電，斷電時，備用的鋰電池18650為系統(tǒng)供電[3]。充電電路原理如圖3所示。

2.3 監(jiān)測電路設(shè)計

監(jiān)測電路由溫度監(jiān)測、氣體監(jiān)測、火焰監(jiān)測部分組成。溫度監(jiān)測采用DS18B20傳感器，它是單總線數(shù)字溫度計，讀取溫度數(shù)及指示器件的溫度。數(shù)據(jù)經(jīng)一根數(shù)據(jù)線讀入DS18B20或從DS18B20送出[4]。數(shù)據(jù)線本身可以提供讀、寫以及完成溫度轉(zhuǎn)換所需要的電源，無需外接電源。

圖3 TP4059充電電路圖

氣體監(jiān)測采用MQ-2煙霧傳感器。MQ-2是一種N型半導體器件，它由二氧化錫半導體氣敏材料制造而成，可對甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、煙霧、酒精濃度等進行檢測，尤其對液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度，具有使用壽命長和穩(wěn)定可靠等特點。在系統(tǒng)正常工作時，MQ-2煙霧傳感器輸出的模擬量通過主控電路的A/D轉(zhuǎn)換器后，系統(tǒng)可獲得準確的燃氣濃度數(shù)字量，當檢測值超過設(shè)定閾值時，主機開始響應，并向從機發(fā)送指令[5]。MQ-2煙霧檢測電路如圖4所示。

火焰檢測采用紅外光譜傳感器，該傳感器適用于各種火焰、火源的檢測?？蓹z測火焰或者波長在760～1100 nm范圍內(nèi)的光源，探測角度約60°，對火焰光譜尤為靈敏[6]。與氣體傳感器相似，該傳感器輸出的模擬量通過主控電路的A/D轉(zhuǎn)換器后，系統(tǒng)可獲得準確的火焰強度數(shù)字量，當檢測值超過設(shè)定閾值時，主機開始響應，并向從機發(fā)送指令。火焰檢測電路如圖5所示。

圖4 MQ-2煙霧檢測電路圖

圖5 火焰檢測電路圖

2.4 通信電路設(shè)計

該設(shè)計分為內(nèi)部通信和外部通信兩部分。系統(tǒng)內(nèi)部主從機的通信采用nRF24L01無線通信模塊，nRF24L01是NORDIC出廠的無線芯片，其工作頻率為2.4 GHz[7]。nRF24L01的一個顯著優(yōu)點是功耗小、電流極低，尤其在掉電模式或待機模式下電流更小[8-9]。系統(tǒng)待機狀態(tài)下，主機通過nRF24L01向從機傳送廚房的安全狀態(tài)。上位機與下位機無線通信電路原理如圖6所示。

圖6 無線通信電路圖

圖7 外部通信電路圖

系統(tǒng)外部通信采用SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司推出的一款高性能工業(yè)級 GSM/GPRS模塊，可以低功耗實現(xiàn)語音、DTMF、SMS（短消息服務）、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸[10]。當主機檢測到危險發(fā)生時，從機控制該模塊的SMS功能向相關(guān)人員發(fā)送險情短信。SIM900A電路如圖7所示。

2.5 斷電、斷氣電路設(shè)計

本設(shè)計的斷電、斷氣功能通過繼電器和機械手臂控制來實現(xiàn)，當從機無線模塊接收到主機監(jiān)測模塊發(fā)送來的險情信息時，從機通過控制繼電器和機械手臂切斷廚房的供電和燃氣閥門的開關(guān)[11]。該系統(tǒng)還配有備用電源，即使廚房斷電，系統(tǒng)也能正常進行斷電、斷氣工作。自動斷氣結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 自動斷氣機械手臂示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)的程序分為主機檢測系統(tǒng)部分和從機斷電、斷氣控制系統(tǒng)部分。

3.1 主機程序

主機主程序包括系統(tǒng)硬件初始化、初始化信息顯示、nRF24L01自檢、溫度過高及燃氣泄漏判斷、報警、發(fā)送短信、與從機通信。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 從機程序

從機斷電、斷氣程序過程：首先將從機的硬件進行初始化，從機通過nRF24L01與主機通信，當從機通過nRF24L01接收到主機發(fā)送的信息后，判斷信息是否接收完成，未接收完成則繼續(xù)接收，接收完成后單片機控制繼電器或機械手臂進行斷電、斷氣操作。從機斷電、斷氣程序流程如圖10所示。

圖10 從機程序流程圖

4 結(jié) 語

經(jīng)過多次實地測試，廚房安全系統(tǒng)完美實現(xiàn)了從燃氣檢測、溫度檢測、火焰檢測到系統(tǒng)報警，再到控制從機斷電、斷氣，最后發(fā)送險情短信給相關(guān)人員及部門等一系列功能操作。該系統(tǒng)達到了預期效果，較好地解決了因廚房燃氣泄漏所引發(fā)的問題，保障了人們的財產(chǎn)及生命安全。