基于ZigBee的智能廚房研究與設計

吳凱 杜選 陳思煒 肖世東

摘要：快速發展的互聯網技術使得人們對舒適生活有了更高的追求，智能廚房系統基于Zigbee無線組網技術，結合傳感器技術，物聯網技術以及人工智能技術正是由此而生。系統具備人臉識別功能以防止兒童誤入廚房造成意外，燃氣檢測功能以防止燃氣泄露，火焰檢測功能防止廚房火災，溫濕度檢測功能防止食物發霉并且已初步在實驗平臺取得實現。系統通過移動端的方式實現了隨時隨地對廚房信息的監控，改善了生活方式，提高了生活質量。

關鍵詞：智能廚房；ZigBee；物聯網；人工智能；無線傳感器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0251-03

Research and Design of Intelligent Kitchen based on ZigBee

WU Kai ，DUXuan，CHEN Si-wei，XIAO Shi-dong

（Jiaxing University， Jiaxing 341000， China）

Abstract：The rapid development of Internet technology makes people have a higher pursuit of comfortable life. Intelligent kitchen system is based on Zigbee wireless networking technology， combined with sensor technology， Internet of Things technology and artificial intelligence technology. The system has the function of face recognition to prevent accidents caused by children entering the kitchen by mistake， the function of gas detection to prevent gas leakage， the function of flame detection to prevent kitchen fire， and the function of temperature and humidity detection to prevent food from mildewing. The system realizes the monitoring of kitchen information anytime and anywhere by means of mobile terminal， improves the life style and provides the quality of life.

Key words： intelligent kitchen；zigbee；internet of things；artificial intelligence；wireless sensor

1 引言

隨著物聯網建設上升到國家戰略層次以及各種相關政策的出臺，這一藍海技術領域漸漸在各行各業嶄露頭角，智能家居作為國家重點發展和扶持的九大物聯網應用之一有著十分廣闊的市場，而智慧廚房作為智能家居中重要的一環也有著極大的發展潛力。

傳統廚房存在著諸多不可忽視的安全隱患，廚房失火，煤氣泄露，兒童誤入廚房被廚具餐具意外刺傷等新聞屢見不鮮，除了使用時加倍小心之外幾乎沒有任何有效的措施來預防并解決這些問題，而由于廚房隱患的隱蔽性，容易為人所忽視，因此此類事件引發的事故也往往是比較嚴重的。早期智慧家居的誕生依賴于有線組網，但是其復雜的布線，影響了家居的美觀性與舒適度，且針對廚房隱患并沒有切實有效的解決方案，故規避廚房隱患問題亟待解決。

基于Zigbee組網技術的智能廚房的出現，人們可以隨時隨地利用手機監控廚房狀況以防止發生火災，煤氣泄漏等意外事件，亦可以避免兒童擅入廚房亂動廚具所引發的各種安全隱患，同時其無線特性對家居環境不會產生絲毫美觀體驗的影響且不需要復雜的布線技術與高昂的成本，不僅改善了家居生活方式，提高了生活質量，更為大家的人身安全提供了保障[1]。

2 需求分析

由于Zigbee網絡具有功耗低，節點支持量大等優點[2]，故在智能廚房中，總體設計思路是將各種無線傳感器結點通過ZigBee網絡連接到Zigbee協調器結點[3]，協調器結點通過串口與智能網關連接，智能網關對數據處理后接入現有的互聯網，然后發送到遠程智能手機終端，也可以通過智能手機隨時隨地的遙控監測廚房的情況，如圖1所示，其中我們的產品主要功能有如下幾點：

1）通過攝像頭對人臉的捕捉進行身份的鑒別，當有人進入廚房時，攝像頭會自動對人臉進行抓拍并分析該人員是否為用戶本人，若是，則開放廚房的使用權限，若不是則拒絕對廚房內相關廚具的操作；同時，通過人臉識別技術對進入廚房人員進行年齡的大致判斷，當出現孩童進入廚房時，則拒絕一切廚具操作功能以保障兒童的安全。

2）通過安裝在廚房內的燃氣濃度傳感器對廚房燃氣濃度信息進行時的收集與分析，并會將當前濃度信息與系統設置的濃度安全閾值進行比較，若出現燃氣濃度超過安全閾值，則會通過警報器發出警報，同時打開風扇進行通風以降低室內的燃氣濃度。

3）通過火焰傳感器對廚房的火光進行監測，當廚房出現過分明亮的火光時，能夠立刻發出警報以提醒用戶，以防止火災的發生。

4）通過濕度傳感器對廚房濕度進行時時采集與展示，防止因濕度過大而引起食物發霉變質。

3 總體設計

3.1 系統總體架構

智慧廚房系統從傳輸過程上分為三部分：無線傳感節點、網關和客戶端[4]。系統總體框架結構如圖所示：

將各種無線傳感器結點通過ZigBee網絡連接到Zigbee協調器結點，協調器結點通過串口與智能網關[5]連接，智能網關對數據處理后接入現有的互聯網，然后發送到遠程智能手機終端，也可以通過智能手機隨時隨地的遙控監測廚房的情況。

3.2 客戶端界面設計

如圖所示，智能廚房系統主要包括兩個主要部分。其中左側展示的是智能廚房的提示以及本系統所使用的一些主要的傳感器以及一些開關控制。主體部分主要是廚房傳感器的分布以及其相應環境下的狀態，當某一項檢測器置于打開狀態時，各個傳感器節點進行初始化并處于信息收集狀態，一旦檢測到超標情況即發出警報以提醒用戶可能出現了安全隱患。

3.3 數據結構設計

數據結構設計的目的是為了實現數據調用，數據傳輸，并且保證一定的精度可以使系統根據參數更加準確的做出判斷。具體傳感器及其相應的參數如表1所示。

通過以上數據可以知道不同傳感器對應的不同參數以及相應的權限，為實現數據的可操作性做好規劃。

4詳細設計與實現

4.1無線傳感器硬件設計

本項目采用如下幾種傳感器：火焰傳感器，溫濕度傳感器：可燃氣體傳感器、聲光報警傳感器、繼電器、步進電機傳感器。此處以溫濕度傳感器為例介紹無線傳感器的工作原理。

溫濕度傳感器工作原理為：在傳感器基片上覆蓋一層感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上后，感濕原件會發生電阻率與電阻值的改變利用這一特性即可測量濕度。而根據不同金屬會根據不同的溫度產生不同電阻值這一特點，將電阻值作為輸出信號即可實現對溫度的測量[6]。

4.2無線節點工作流程設計

本系統使用的CC2530 無線節點采用 CC2530 ZigBee 處理器，基于ZStack這一提供基于 OSAL 操作系統的無線自組網功能的協議棧[7]，首先以CC2530為核心的無線通信產品廣泛應用于各種工業產品中能夠保證一定的穩定性，且CC2530文檔全面并能夠完美的支持Zstack協議棧如圖所示：

4.3移動客戶端設計與實現

本系統的移動客戶端工程架構如圖：

5 結語

本項目是基于ZigBee智慧廚房研究與設計的系統，主要是通過ZigBee網絡連接多種傳感器至ZigBee協調器結點，經過智能網關對數據處理后接入現有的互聯網，后在移動端進行廚房信息的實時監控，通過對火焰傳感器，溫濕度傳感器等無線傳感器反饋的數據來判斷廚房的實施情況，當發生意外事件時能夠利用報警器，風扇等裝置來發出警報開窗通風以避免人員傷亡從而提高生活的安全性。

參考文獻：

[1] 馬曉檳.智能家居，智慧生活[J].電視技術，2014，38（S1）：54-55.

[2] 王曙光.對基于ZigBee技術的智能家居系統設計與實現[J].通信電源技術，2017，34（6）：165-166.

[3] 丁思磊，陳云.基于ZigBee物聯網智慧家居系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信，2015， 38（09）：99.

[4] 盧曉慧.智能家居網管綜合系統的設計與實現[J].科技創新與應用，2015，（18）：1-2.

[5] 唐磊.基于Zigbee的智能家居系統研究與設計[J].電腦知識與技術，2018，14（17）：264-266.

[6] 王浩.基于Zigbee技術和QT平臺的溫濕度采集控制程序設計[J].軟件工程，2018，21（09）：49-50.

[7] 魏玉峰.基于zstack棧的無線網絡終端設計[J]. 電子世界，2018，（16）：143-144.

[8] 田華.基于Zigbee的無線智能家居搭建與調試分析[J].微型電腦應用，2018，34（09）：44-46.

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