基于物聯(lián)網(wǎng)的廚房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于存江, 顏成偉, 孫 博

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的智能家居出現(xiàn)在人們的日常生活中，人們對(duì)于智能家居逐漸有了更多的要求，特別是對(duì)于廚房的智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的發(fā)展，越來(lái)越多的人希望能夠通過(guò)手機(jī)對(duì)于家庭環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)對(duì)居家環(huán)境的安全防護(hù)。本文以廚房為研究對(duì)象，利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為支撐開(kāi)展研究，利用STC89C21單片機(jī)處理器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能廚房檢測(cè)控制功能。本系統(tǒng)采用WiFi通信，利用手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)顯示廚房?jī)?nèi)環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如溫度、煙霧濃度，同時(shí)在廚房?jī)?nèi)部通過(guò)LCD1602顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。另外基于GSM網(wǎng)絡(luò)的彩信功能采用SIM900A，將異常數(shù)據(jù)通過(guò)短信形式發(fā)送給用戶，以達(dá)到報(bào)警的作用，可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有WiFi的情況下，將家庭廚房的突發(fā)的異常情況及時(shí)發(fā)給用戶。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，還有很大的提升空間和推廣空間，便于后續(xù)的開(kāi)發(fā)與使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)要設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能廚房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)滿足的功能是：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示廚房?jī)?nèi)部溫度和煙霧濃度；

(2)可以手動(dòng)設(shè)定閾值；

(3)自動(dòng)報(bào)警和降溫?fù)Q氣；

(4)手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值；

(5)通過(guò)WIFI控制照明燈和換氣扇；

(6)短信報(bào)警。

基于功能要求，本系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)包括電源模塊、兩個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)、DS18B20溫度傳感器、氣體傳感器、WiFi通信模塊、繼電器、風(fēng)扇、蜂鳴器、1602顯示器、SIM900A模塊。氣體傳感器我們采用的是MQ-2煙霧濃度傳感器模塊。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，溫度與氣體濃度傳感采集環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)送給單片機(jī)1，單片機(jī)1處理數(shù)據(jù)[1]，當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí)，溫度報(bào)警燈點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)煙霧濃度超過(guò)閾值時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)啟，廚房排風(fēng)，同時(shí)煙霧報(bào)警燈點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)移動(dòng)端，手機(jī)上相應(yīng)的APP可以隨時(shí)查看家中廚房環(huán)境數(shù)值，并能夠控制廚房?jī)?nèi)部分電器，如風(fēng)扇、電燈的開(kāi)關(guān)等。本系統(tǒng)中的單片機(jī)2還搭載SIM900A模塊，該單片機(jī)2接收檢測(cè)電路的報(bào)警信號(hào)，當(dāng)達(dá)到數(shù)據(jù)閾值時(shí)，信號(hào)會(huì)傳送給單片機(jī)處理，利用GSM網(wǎng)絡(luò)，SIM900A模塊將報(bào)警信息利用短信形式傳送給用戶手機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示電路如圖2所示，顯示器采用5v電源供電方式，共有16個(gè)引腳，7～14引腳與單片機(jī)P0口相接，LCDEN引腳與RS引腳分別接在單片機(jī)P2.4和P2.3引腳上，RW引腳與電阻相連。本系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示器用來(lái)顯示溫度及煙霧濃度，1602顯示器的基控制器采用HD44780，相比LCD12864顯示器，1602顯示器具有更小的屏幕，體積更小，更方便。一般情況下LCD1602顯示器的工作溫度為：0 ℃～+50 ℃，存儲(chǔ)溫度為-30 ℃～+80 ℃(紅藍(lán)矛盾)可以滿足絕大多數(shù)廚房環(huán)境。

2.2 煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇MQ-2氣體傳感器作為煙霧傳感器，MQ-2氣體傳感器可檢測(cè)大部分可燃?xì)怏w，尤其對(duì)一些烷類(lèi)氣體檢測(cè)較為敏感尤其是甲烷、丙烷液化氣、丁烷等氣體，并且對(duì)于一些可燃?xì)怏w反應(yīng)較為靈敏。MQ-2氣體傳感器特點(diǎn)是：穩(wěn)定性好、功耗低、響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。該部分的電路設(shè)計(jì)主要是以ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接為主，將煙霧傳感器的IN引腳連接ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器IN0；將模數(shù)轉(zhuǎn)換器D0～D7引腳連接單片機(jī)1的P1口；EOC連接單片機(jī)1的P3.6引腳；OE連接單片機(jī)1的P3.2引腳；CLK引腳連接單片機(jī)1的ALE引腳。ADC0809電路如圖3所示。

圖2 液晶顯示電路

圖3 ADC0809電路連接圖

MQ-2氣體傳感器的工作原理是：當(dāng)傳感器中的二氧化錫接觸到空氣中的氧離子時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，將氧的負(fù)離子吸附在半導(dǎo)體表面，氣敏半導(dǎo)體的表面的電子密度發(fā)生變化，由于電子密度發(fā)生變化，半導(dǎo)體自身的阻值也隨之發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)半導(dǎo)體材料與氣體接觸后電導(dǎo)率的變化就可以檢測(cè)氣體的濃度，但該傳感器只能夠輸出模擬信號(hào)，需要連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[2]。ADC0809引腳功能，見(jiàn)表1。

表1 ADC0809引腳功能

2.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)P2.0口連接[3]，此處將P2.0端口命名為DQ，另外兩個(gè)引腳一個(gè)接5V電壓，一個(gè)接地，DS18B20電路原理圖如圖5所示。溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析判斷溫度數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值，如果實(shí)時(shí)溫度已經(jīng)超過(guò)閾值，觸發(fā)報(bào)警情況，此時(shí)LED燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲[4]，所采集溫度會(huì)通過(guò)單片機(jī)串口，利用WiFi芯片傳輸給手機(jī)移動(dòng)端，通過(guò)移動(dòng)端APP也可以隨時(shí)檢測(cè)廚房?jī)?nèi)溫度。DS18B20電路連接圖如圖4所示。

圖4 DS18B20電路連接圖

2.4 WiFi模塊電路設(shè)計(jì)及配置

將WiFi模塊正極接單片機(jī)1的VCC，RXD和TXD與單片機(jī)1的RXD和TXD反接，地極連接在一起。本系統(tǒng)采用無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的方式接入手機(jī)移動(dòng)端傳輸采集數(shù)據(jù)，該模塊支持Wi-Fi協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。USR-C215無(wú)線WI-FI模塊具有3種工作模式：STA、AP和AP+STA，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┒喾N選擇方式，靈活方便。

配置過(guò)程：本系統(tǒng)采用的是USR-215模塊的透明傳輸模式，使用過(guò)程中，需要設(shè)置基本時(shí)鐘模式，中斷模式參數(shù)就可以完成透?jìng)髂Ｊ降脑O(shè)置，即可傳輸數(shù)據(jù)。還需要將USR-C215初始化，打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)入管理員頁(yè)面，該界面共有5大功能模塊：透?jìng)鲄?shù)選擇、WiFi固件升級(jí)、系統(tǒng)管理、WiFi系統(tǒng)狀態(tài)、WiFi參數(shù)選擇。選擇WiFi模塊的工作模式，本系統(tǒng)選用的模式為AP模式。

串口中斷接收程序如下，接收移動(dòng)端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，4為中斷級(jí)別，先將ES置0，關(guān)閉串口中斷，當(dāng)完成接收時(shí)再將串口中斷開(kāi)啟，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)RI會(huì)被置1，此時(shí)需要用軟件操作，將其手動(dòng)置0進(jìn)行還原。將SBUF值取出裝入變量a中進(jìn)行判斷，從而調(diào)控風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。WiFi模塊電路連接圖如圖5所示。

圖5 WiFi模塊電路接圖

2.5 SIM900A模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將SIM900A模塊的5VT接口與單片機(jī)2最小系統(tǒng)的P3.0(RXD)相連，5VR引腳與單片機(jī)2串行口P3.1(TXD)相連，要求模塊與單片機(jī)2共地，插入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商SIM卡，模塊即可進(jìn)行正常通信。SIM900A模塊的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、體積較小、價(jià)格合理，工作頻率可以分為4個(gè)檔位：850/900/1800/1900MHz，并且能夠支持非透?jìng)髂Ｊ健IM900A模塊可以作為T(mén)CP/UDP客戶端或TCP服務(wù)器，滿足GSM 2/2+標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)AT命令控制，SIM900A模塊采用3.3v的電壓供電，支持2G、3G運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，其工作溫度在-20℃～+75℃均可適用。

配置過(guò)程：SIM900A采用AT指令初始化控制，用戶所發(fā)送的對(duì)方手機(jī)號(hào)碼及信息都需要UNICON編碼才能夠完成發(fā)送。電路連接圖如圖6所示。

圖6 SIM900A模塊電路連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 登錄模塊設(shè)計(jì)

該部分的軟件設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)APP的登錄界面，內(nèi)容包含系統(tǒng)的名稱，LOGO以及兩個(gè)輸入框，一個(gè)用來(lái)輸入相應(yīng)的IP地址，另一個(gè)用來(lái)輸入端口號(hào)，當(dāng)這兩部分輸入正確時(shí)，會(huì)進(jìn)入軟件的主控界面，若輸入不正確，則會(huì)提示錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入字樣。登錄界面設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 登錄界面設(shè)計(jì)流程圖

3.2 照明和風(fēng)扇控制部分軟件設(shè)計(jì)

該部分的軟件設(shè)計(jì)主要是用來(lái)控制照明和風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，APP發(fā)送給單片機(jī)一個(gè)控制信號(hào)的數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)wifi的透明傳輸接收到該數(shù)據(jù)后控制相應(yīng)的I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)部件的控制。照明和風(fēng)扇軟件部分的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 照明風(fēng)扇軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 溫度和氣體濃度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)顯示界面，實(shí)時(shí)顯示廚房?jī)?nèi)部溫度和氣體濃度，還包括用戶手動(dòng)設(shè)定閾值的顯示，該部分的設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)通過(guò)wifi的透明傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)APP，手機(jī)APP可以接收到該數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)顯示功能。設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 溫度和氣體濃度模塊設(shè)計(jì)流程圖

4 調(diào) 試

首先打開(kāi)供電開(kāi)關(guān)，溫度模塊開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，LCD1602開(kāi)始顯示實(shí)時(shí)的溫度，手動(dòng)設(shè)定閾值，對(duì)溫度模塊加熱，模擬溫度升高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟；其次用打火機(jī)來(lái)模擬燃?xì)庑孤叮么蚧饳C(jī)的氣體對(duì)著煙霧傳感器施放，測(cè)試結(jié)果為當(dāng)氣體濃度超過(guò)設(shè)定的閾值的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警，風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟；當(dāng)這兩個(gè)模塊采集到的數(shù)據(jù)都超過(guò)設(shè)定的閾值的時(shí)候，都會(huì)通過(guò)SIM900A模塊產(chǎn)生彩信發(fā)送到設(shè)定好的手機(jī)；打開(kāi)手機(jī)APP連接設(shè)定好的WIFI，進(jìn)入我們的軟件界面，控制廚房燈亮/滅，風(fēng)扇開(kāi)啟/關(guān)閉。全部功能滿足預(yù)設(shè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初是鑒于中國(guó)空巢老人越來(lái)越多，而老年人身體多行動(dòng)不便，記憶力差，廚房的安全問(wèn)題需要更多的關(guān)注。目前市場(chǎng)上這種環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的系統(tǒng)很少，本文設(shè)計(jì)了這款基于物聯(lián)網(wǎng)的廚房監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房環(huán)境因素，比如氣體濃度和溫度，如煤氣泄露或者廚房起火等安全隱患都可以被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并預(yù)警。若發(fā)生安全隱患，會(huì)收到手機(jī)短信的提醒，可以將損失降到最低。本系統(tǒng)適合所有家庭用戶，特別是空巢老人或者上班族。當(dāng)然本系統(tǒng)還有很大的拓展空間，下一步重點(diǎn)工作可以放在使用更好的核心處理器，監(jiān)控更多的家用電器和檢測(cè)更多的隱患因素，優(yōu)化APP使其功能更加豐富，界面更加美觀簡(jiǎn)潔，提高GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息的實(shí)時(shí)性等等。