基于NBIOT的廚房安全防護裝置設計

唐輝秀，王晴晴，王橋，吳戀，楊婭婷，張兆金，曾家明，俞潼

（貴州師范學院 數學與大數據學院，貴州貴陽，550018）

0 引言

當家庭廚房內存在安全隱患問題時，廚房設備不能及時的發出警報并通知用戶，也不能自動處理突發火災、燃氣泄漏等意外狀況。針對此種情況，人們需要一種感應靈敏、操作簡便、能夠及時向用戶反饋的家庭廚房智能監控裝置，并且能在業主不能及時處理時能通知物業來處理，這樣能在災難發生的最初時間遏制掉。

綜上所述，目前的廚房防燃氣泄漏安全行業無形的浪費了許多人力、物力、財力，并且會浪費用戶的時間，還無法保證用戶廚房的安全，目前市面上的一些裝置只是在檢測到煤氣泄漏時、發生火災時發出警報，當家里無人時或者老人耳力不好時無法及時處理，也不可以自動開窗，關閥門，發信息給物業和業主。因此，我們團隊研究了一款非接觸、遠程檢測廚房防燃氣泄漏、火災的安全裝置，該裝置采用多傳感器協同工作，對廚房情況進行實時監控；燃氣超標時裝置自動關閉燃氣總閥并發出報警信號，同時通過短信推送方式將預警信息發送給業主和物業管理單位，三重防護，有效降低燃氣安全事故率，保障了家庭廚房的安全，給其家屬朋友等帶來了更多方便。

1 系統總體結構

本設計基于NBIOT的廚房安全防護裝置以STM32單片機為核心控制器，通過DS18B20數字溫度傳感器模塊、MQ-5氣體傳感器和MQ-2煙霧氣體傳感器模塊對廚房內溫度、煙霧一氧化碳、甲烷等濃度進行采集，并傳給STM32單片機，單片機對采集到的數據與我們設定的范圍值進行對比，若采集到的數據沒有超出設定的范圍值，DS18B20 數字溫度傳感器模塊、MQ-5氣體傳感器和MQ-2煙霧氣體傳感器模塊將繼續采集，一旦超出范圍值就立刻關閉窗戶、關閉燃氣灶并關閉總閥，配合 lora 無線通信模塊和4G模塊發送警報消息給業主和物業，與此同時DS18B20 數字溫度傳感器模塊、MQ-5 氣體傳感器和 MQ-2 煙霧氣體傳感器模塊會繼續采集，并隨著超出范圍值得的增大，給物業和業主發送消息的頻率逐級增多，以此為業主和物業聲明廚房內環境的嚴重程度，從而能及時的到達現場，并做出處理，當室內環境得到改變后，跳出循環，DS18B20 數字溫度傳感器模塊、MQ-5 氣體傳感器和 MQ-2 煙霧氣體傳感器模塊恢復初值繼續采集廚房中的溫度、煙霧一氧化碳、甲烷等濃度。總體框圖如下圖1所示。

圖1 總體框圖

2 硬件設計

■2.1 環境安全檢測功能

本設計的環境安全監測功能分為3部分。環境安全檢測有DS18B20 數字溫度傳感器模塊、MQ-5 氣體傳感器和MQ-2 煙霧氣體傳感器模塊。3部分采用集成模塊，操作簡單，不易損壞，成本低，故障維修難度低。

溫度檢測部分是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。只要一個端口即可實現通信，測溫范圍-55℃～+125℃，以0.5℃遞增，數字溫度計的分辨率可以從9到12位選擇，內部有溫度上、下限警告設置。利用DS18B20數字溫度傳感器模塊感受廚房溫度。廚房煤氣泄漏部分采用MQ-5氣體傳感器，MQ-5氣體傳感器對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度、對乙醇，煙霧幾乎不響應、快速的響應恢復特性、長期的使用壽命和可靠的穩定性、簡單的測試電路。利用MQ-5氣體傳感器檢測廚房是否存在煤氣泄漏問題。煙霧檢測部分采用MQ-2 煙霧氣體傳感器模塊，MQ-2 煙霧氣體傳感器模塊具有信號輸出指示、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出)、TTL輸出有效信號為低電平。(當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)、模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高、對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度、具有長期的使用壽命和可靠的穩定性、快速的響應恢復特性。利用MQ-2煙霧氣體傳感器模塊檢測煙霧。

圖2為本設計的硬件電路圖。

圖2 硬件電路圖

■2.2 安全防護

檢測的數值被傳回主控，一旦數值超出正常值核心控制器STM32單片機控制2MG996R舵機來開窗，STM32單片機收到MQ-2煙霧氣體傳感器模塊或MQ-5氣體傳感器或DS18B20數字溫度傳感器模塊傳回控制器的值超過正常值后就執行開窗命令，檢測到時煤氣泄漏時將煤氣總閥關掉。與此同時，STM32單片機控制器通過ESP8266模塊作為媒介給整個系統聯網，之后給自己做的手機app發送信息給用戶，通過lora模塊發送信息給物業。這樣便完成了一套完整的安全防護。

■2.3 無線通信部分物聯網的功能

針對物業處，本設計采用無線通信選用的是lora，本設計選用它是因為它在同種功耗的條件下比其它的無線方式傳播的距離更遠，滿足本裝置的低功耗和遠距離的同時實現。經過比較它比傳統的無線射頻通信距離擴大了3～5倍。而且LoRa被商用較早，與其它無線技術比較，LoRa較為成熟，可靠性高，且LoRa信號對建筑的穿透力很強，適用于城市。本設計利用lora的一對多的特點接收整棟樓的消息，實現方式是從模塊給主模塊發送消息（如圖3 所示）。這樣物業處就能及時知道哪個業主家廚房發生了危險。

圖3 LoRa通信方式

針對業主處，本設計采用的是ESP8266-01s系列。這款芯片使用了3.3V的直流電源，功耗低，體積小，支持透傳，丟包現象不嚴重，價格低。ESP8266還允許用戶自己編寫ROM，不僅可以實現數據傳輸功能，還可一自己建立WiFi熱點，或者作為WiFi客戶端連接到指定的路由器，本設計以ESP8266為媒介將整套裝置的消息發送到自己做的手機程序里面，這樣業主就可以看到消息了。

3 軟件設計

軟件部分使用WxBit圖形化編程設計一個客戶端，客戶端設計好直接掃碼即可在手機端安裝app，客戶端可在手機上顯示廚房信息。傳感器將數據傳送給核心控制器STM32，STM32通過WiFi將數據上傳至服務器，在客戶端也就是通過WxBit圖形化編程實現的手機軟件，課查看廚房情況，客戶端實時更新廚房狀態，用戶可實時查看室內參數。當廚房發生煤氣泄漏時，客戶端會顯示煤氣泄漏、當廚房發生火災時，當廚房溫度過高是，客戶端會顯示煤氣泄漏、廚房有明火、溫度過高。同時通過4G模塊給業主發送短信。圖4為軟件設計流程，圖5為軟件新效果圖。

圖4 軟件設計流程

圖5 軟件效果圖

4 測試

測試結果如表1～表3所示。

表1 當廚房處于安全狀態時

表2 廚房煤氣泄漏狀態檢測

表3 廚房火災危險檢測

5 結語

本設計基于NBIOT的廚房安全防護裝置是一款高效、操作簡單、具有監測燃氣濃度、人機交互、監測當前的姿態、能夠自動發出燃氣火災的裝置。該裝置選擇了舵機控制，輕便簡潔，簡單實用，操作上通俗易懂；并且使用多個傳感器組合，從而實現具有自動檢測燃氣火災及報警的功能。解決了目前市面上傳統的火災報警器普遍存在的一些問題，在保證低價格的同時可以實現在沒有人的情況下，實時監測，其能夠保障使用者安全的同時，也能給其家屬及朋友帶來很多方便。