基于物聯網的煤氣灶智能控制裝置設計

譚偉健，洪遠泉，張玉芹，沈浩杰，梁燕萍，王麗琴，李宇航

（韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512005）

煤氣灶是很多家庭日常生活中必不可少的炊具.根據全國煤氣灶類型的使用數據報告，當前家用燃氣灶［1］類型占比最大的是傳統的機械式煤氣灶.傳統煤氣灶具雖然具有成本低和操作簡單的特點，但也存在不少缺陷.如缺乏自動檢測控制裝置，無法應對煤氣泄漏問題；需人工操作控制，不能像智能電飯煲一樣實現預定義烹飪等.

為解決傳統的機械式煤氣灶的這些缺陷，筆者提出一種新的基于物聯網技術的煤氣灶智能控制系統設計方案.通過改進煤氣灶的操作控制方式，融合電子控制技術和網絡控制技術，實現煤氣泄漏報警與氣體自動關斷、煤氣灶工作方式智能控制、遠程控制等功能［2］.

1 系統總體結構

系統結構圖如圖1 所示，以微處理器為核心，外接氣閥控制模塊、攝像頭模塊、氣體檢測模塊、點火控制模塊和WIFI 模塊.控制裝置可以通過WIFI 模塊直接連接智能手機或者通過互聯網連接智能手機.氣體檢測模塊用于檢測系統周圍空氣中的燃氣數據.微處理器對采集的燃氣數據進行分析判斷，出現燃氣泄漏時可自動關閉煤氣灶的電子閥門，切斷煤氣源.攝像頭模塊可以在系統工作時采集煤氣灶的圖像信息，并發送到用戶端APP 上；點火控制模塊采用繼電器控制脈沖點火器的電源通斷，實現自動點火控制.

2 系統主要模塊電路設計

2.1 處理器控制電路設計

微 處 理 器 采 用STM32F1O3ZET6 主 板［3］.基 于ARM Cortex-Mlei 內核32 位的微控制微控制器，具有72 MHz 工作頻率，可快速運行AI 算法.內置有高速存儲器（包括512 KB 字節的閃存，64 KB 字節的SRAM）［4］，自帶4 個片選的靜態存儲器控制器，支持CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和NAND 存儲器，并行LCD 接口，兼容8080/6800 模式.

圖1 系統總體結構圖

2.2 氣閥控制電路設計

如圖2 所示，步進電機采用兩相的42 步進電機，步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制組件.在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角.

2.3 點火控制電路設計

在傳統煤氣灶脈沖點火器基礎上，設計了微處理器控制的電子點火器.電路圖如圖3 所示，微處理器的IO 口控制三極管的開關狀態，實現繼電器的通和斷的操作.當IO 口為高電平時，三極管飽和導通，繼電器線圈通過電流，開關閉合，將1.5 V 電池電壓接入傳統的脈沖點火器.脈沖點火器內部包含高頻振蕩器和升壓變壓器，可產生瞬間高壓并通過尖端放電實現點火.當完成點火后，IO 口變為低電平，三極管截止，繼電器開關斷開，脈沖點火器斷電，停止工作.點火的時間長度，可以通過設置IO 口的高電平持續時間控制.

2.4 氣體檢測電路設計

煤氣泄漏采用金屬氧化物半導體型可燃氣體傳感器MQ-9 檢測.該傳感器的原理是根據燃氣分子在半導體氧化物薄膜表面吸附過程中發生的氧化——還原反應后，導致阻值變化從而檢測出是否存在煤氣泄漏［5］.MQ-9 可燃氣體傳感器擁有4 個IO 口，1 個VCC，1 個GND，1 個DO 開關信號（TTL）輸出和一個AO 模擬信號輸出.DO 輸出有效信號為低電平.AO 模擬輸出的電壓，檢測的可燃氣體濃度越高，模擬輸出電壓越高.

2.5 WIFI 模塊電路

WIFI 模塊采用ESP8266 芯片模塊實現，作為用戶手機APP 和系統交互的橋梁.ESP8266 模塊具有低功耗，集成度高等優勢.ESP8266 模塊集成了 32 位 Tensilica 處理器、標準數字外設接口、天線開關、射頻巴倫、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，所需外圍電路非常少.支持實時操作系統 （RTOS）和 WIFI 協議棧.

ESP8266 與STM32F103ZET6 采用的通信是采用基于AT 指令的串口通信方式.AT+CWJAP 指令的功能是連接無線WIFI 的指令，它有兩個參數分別是＜ssid＞（接入點名稱）和＜pwd＞（密碼），它的設置命令AT+CWJAP=＜ssid＞，＜pwd＞，加入該AP 成功則返回OK，失敗則返回ERROR.AT+CIPSTART 指令的功能是訪問指定網絡位置［6］.它也有3 個參數，分別是連接類型、遠程服務器IP 地址、遠程服務器端口號.控制這兩條宏指令，就可以實現ESP8266 與遠程服務器連接.

2.6 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用Pixy CMUcam5 Sensor 雙目高清攝像頭，該模塊集成OV9715 圖像傳感器和恩智浦NXP LPC4330 雙核處理器.該模塊是基于色調過濾算法來識別物體.它通過其處理器內部的算法，以顏色為中心來處理圖像數據，選擇性地過濾無用信息，從而得到有效信息讓圖像識別變得更容易.同時，該模塊具有強大的多色彩顏色識別及色塊追蹤能力，能在線實時獲取高精度的圖像幀數.通過攝像頭模塊把煤氣灶的圖像在線實時傳輸至用戶端，用戶可以隨時隨地看到煤氣灶實時狀態信息.

圖2 氣閥控制電路

圖3 點火控制電路

3 軟件設計

3.1 微處理器軟件設計流程

微處理器的編程利用Keil uVision5 來完成.進行設備初始化后，裝置會打開所有傳感器，并且會采集相關數據，一旦發現數據異常，便會反饋給用戶，并且關閉煤氣閥門.裝置有多個按鍵，按鍵1 讓步進電機正轉來打開閥門，按鍵2 讓步進電機反轉用于關閉閥門，按鍵1 和按鍵2 相互配合即可控制閥門大小.按鍵3 可用于控制何時打開閥門和關閉閥門，便于無人在家時使用.按鍵4 用于裝置的脫機控制，按鍵5 則可以鎖定煤氣灶的狀態.

3.2 用戶端手機APP 設計

用戶端的APP 設計是基于eclipse 開發平臺設計的，通過ESP8266 模塊接入局域網，通過調用機智云平臺，基于MQTT 協議，作為服務端和手機通信，可實現遠程控制和狀態上報［7］.APP 主要實現的功能有：遠程讀取煤氣灶的圖傳信息、煤氣灶開火和關火控制、煤氣灶火力增加與火力減少控制、預約煤氣灶工作時間、設定煤氣灶連續工作時間.APP 設計框圖如圖5 所示.

機智云平臺將數據通過ESP8266 的WIFI 模塊傳輸至主控板，主控板根據指令向相應的端口發送高低電頻，控制步進電機的工作，從而驅動各個部件運動.反之，通過ESP8266 的WIFI 模塊將收集到的信息通過機智云平臺傳到移動APP 終端，移動端APP 中實時顯示智能煤氣灶各項數據.用戶可以根據自己的實際需求來調節智能煤氣灶.

圖4 控制系統的軟件設計流程圖

4 裝置總體結構模型圖

裝置的結構模型圖如圖6 所示.左下方為一個步進電機控制的閥門，靈活控制閥門的大?。唤涍^改進的點火裝置裝入煤氣灶內部，支撐臺中間有一直立棒，頂頭裝配有攝像頭和可燃氣體檢測器.最右邊為一液晶顯示屏操控臺，操作簡單.裝置布線和細小零件全部在支撐臺底部，既節約空間又美觀.

圖5 APP 設計框圖

圖6 結構模型圖

5 結語

隨著城市的發展，居家安全成為了人們關注的熱點.針對廚房的傳統煤氣灶安全缺陷，筆者提出了一種基于物聯網的煤氣灶安全裝置［8］的設計方案，硬件上包括攝像頭模塊、氣體探頭模塊和熱成像模塊等；軟件上由手機APP 進行遠程控制.在傳統煤氣灶上進行了改進，增加了安全裝置，實現了實時監控煤氣灶異常以及控制煤氣閥門開關.此裝置遵循模塊化設計，成本低，具有一定的市場前景.