智能油烟VOCs远程采集控制设备设计

赵 彬

智能油烟VOCs远程采集控制设备设计

赵 彬

引言

VOCs（volatile organic compounds）是挥发性有机化合物的英文缩写，其中餐饮业的油烟会产生大量VOC气体，目前我国对餐饮油烟的VOCS浓度监测大多按旧的标准进行实验室监测［1］，方法复杂周期较长，由于没有行业标准，市面上一些监测设备没有对采集数据进行多次模型化校准处理，采集的结果不稳定。针对以上问题，本文设计了一套油烟VOCS监测设备，能够实时监测油烟VOCs浓度，同时采用自适应加权数据融合方法，提高数据准确性。

智能油烟采集控制设备架构

由于一般大型厨房的烹饪环境由多个排烟管和灶头组成，因此需要监测的点位多，且分散，为了更好在实际环境中应用，智能油烟采集控制设备采用总线式设计，由1个主机通过485扩展N个数据采集子机组成。系统拓扑图如图1。

图1 系统拓扑图

油烟监测设备主机与从机通过485通讯，从机1安装于净化器前，从机2安装于净化器后，分别采集净化器前后的油烟浓度。本系统最多支持3个油烟通道数据采集，即最多可带6个从机。

监测设备主机设计

油烟监测主机是现场环境的核心处理部件，主要实现子机采集设备的油烟浓度数据处理，并分析控制逻辑决定是否开启相应的净化器并将超标报警数据记录本地存储空间，同时主机通过AT指令操作GPRS模块，实现与数据中心数据交互。主要硬件模块由主机最小系统、时钟模块、数据存储模块、直流稳压模块、GPRS通讯模块、485通讯模块、液晶显示模块、继电器输出模块和开关量反馈模块组成，数据格式采用国家行业HJ/T212-2005标准［2］。

1.主机最小系统

油烟监测设备主机采用STM32F103RC 32位嵌入式单片机作为核心MCU，STM32F103RC通过USART异步通信口与GPRS模块连接，采用max485芯片实现485电路的扩展，同时MCU芯片的SPI口与W25Q128BV芯片连接扩展FLASH数据储存保证历史数据存储量达1个月，此外通过2根IO口模拟I2C通信实现外围高精度电子时钟的扩展为系统提供时钟，图2是核心MCU最小系统图，包括程序烧写电路，系统复位电路。

图2 主机最小系统原理图

2.时钟模块

时钟模块使用SD2400芯片内置电池当外部VDD存在时内部电池休眠，VDD掉电采取内部电池供电［3］。数据通信接口采用I2C通信，为了节省单片机I0将SD2400写允许管教WP直接接地，其硬件电路如图3所示：

图3 时钟模块硬件电路图

3.数据存储模块

由于Flash存储器擦写、烧录比较频繁，且比较容易损坏，本系统存储器采用Flash存储器与铁电存储器共用的方式。其中数据存储采用Flash存储器（数据量大），系统配置参数使用铁电存储器（不易损坏）。

（1）铁电存储模块

铁电存储模块使用FM24CL04芯片［4］。FM24CL04是采用先进的高可靠性的铁电材料加工制成的4K位的铁电非易失性存储器。铁电随机存储器或FRAM是非易失性的，并且可以像RAM一样的快速读写，它比EEPROM和其他非易失性记忆体系统可靠性更高，结构更简单，功耗低等优点。其硬件电路，如图4。

图4 铁电存储模块硬件电路图

（2）Flash存储模块

FLASH存储模块用W25Q128BV芯片，W25Q128BV是16M字节高性能串行Flash存储器，每次操作必须256字节一页，共65536页［5］。支持标准、双倍和四倍SPI，其中标准SPI用到CLK、CS、DI、DO、WP、HOLD管脚，双倍SPI用到CLK、CS、IO0、IO1、WP、HOLD管脚。四倍SPI用到CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3管脚。本方案子采用标准SPI通信，其硬件电路如图5所示。按6个传感器设计的话，1条数据100多个字节，存1页，数据采取1分种记录一次，因此整个空间可存储65536/60/24=45天。

图5 Flash存储模块硬件电路图

4.继电器输出电路

风机开关由单片机IO控制继电器线圈实现，继电器线圈电压5V，输出带载能力220VAC 5A。为了消除继电器断开对弱电干扰加了D2续流二极管［6］，该部分主要实现对净化器的开关控制，系统根据采集的VOCS浓度对比阀值，当浓度超过阀值则开启动净化器，将油烟处理后再排向大气，电路如图6。

图6 继电器输出电路图

5.GPRS接口电路设计

GPRS模块使用的是SIM900A，SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM 900MHZ和DCS 1800MHZ，GPRS编码格式支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4［7］。硬件电路图如图7所示。

图7 GPRS模块硬件电路图

从机硬件设计

油烟监控从机主要由探头外壳、油烟浓度采集板及485通讯线组成。油烟监控从机硬件电路由从机最小系统、传感器检测模块、直流稳压模块和485通讯模块组成。

1.从机最小系统

油烟监测设备从机采用STC12C5A62S2单片机作为核心MCU，虽然该MCU具有内部复位电路，考虑到可靠性系统采用外部专门复位电路实现，单片机最小系统如图8所示：

图8 油烟监控从机最小系统原理图

2.传感器检测模块

传感器使用的是TGS2602，TGS2602不仅对香烟的烟雾或烹调臭味有很高的灵敏度，而且对硫化氢、VOC、氨气有高灵敏度［8］。这种传感器是利用相对值检知来实现更接近人类感觉的控制，即以空气清洁的时候为基准，通过传感器电阻值比空气清洁时变化了多少来检测空气的污染程度。单片机利用A/D处理，对TGS2602传感器输出的电压信号进行转换。转换的数据与国际精准的仪器进行数据校准，自动调整自适应加权数，建立单独计算模型，提高数据准确性。

图9 自适应加权数据模型

3.从机的安装

从机应安装于烟道内，因此需要在烟道上开孔，然后将探头装入烟道，并固定在烟道壁上。一般将探头安装在烟道的侧边或者底边，注意油烟的排放方向。

GPRS通信数据协议设计

主机与上位机的GPRS通信采用TCP/IP通信，主要通信包括两种类型数据：远程注册，数据上传协议如表1所示。

表1 GPRS通信协议

图10 主机程序流程图

主从机程序设计

1.主机程序流程图如图10

2.主机主程序

main（）

｛

Init（）；系统数据初始化；

while（1）

｛

PowerOffDataSave（）；系统掉电保存数据；

KeyManageAnd-Display（）；键检测及屏显示；

GPRSConnectPC（）；GPRS连接上位机软件；

ProbeDataQuery（）；主机查询从机数据；

ProbeDataManage（）；从机数据返回处理并保存；

GPRSSendData（）；主机向上位机发送油烟数据；

图11 从机程序流程图

GPRSRece-

DataManage（）；上位机指令处理；

｝

｝

3.从机程序流程图，如图11

4.从机主程序

main（）

｛

Init（）；系统数据初始化；

while（1）

｛

ProbeDataManage（）；油烟数据处理；

ProbeDataSend（）；向主机发送油烟浓度数据

｝

｝

结论

本文设计的油烟监测设备已经成功应用在厦门湖里大型酒店中央厨房，系统不但能够及时将厨房油烟污染数据发送到湖里环保局数据中心，为督促酒店在油烟排放前硬性要求加装高效油烟净化器提供依据，同时能够根据油烟情况自动启停净化器，在一定程度上达到节能减排的效果，系统自运行以来稳定可靠，以下是实际平台界面图。

图12 平台界面

（作者单位：厦门元谷信息科技有限公司）

［1］GB18483-2001.国家环保总局.饮食业油烟排放标准［S］.2001

［2］HJ/T212-2005.国家环保总局.污染源在线自动监测（监控）系统数据传输标准［S］.2006

［3］深圳市兴威帆电子技术有限公司.高精度实时时钟-SD2400RAM（V2.2）.2008

［4］RAMTRON.FM24CL04DataSheet［R］.2005

［5］WINBOND.W25128BV_Rev_H.2013

［6］蒋敦斌，李文英.单片机与继电器负载接口的抗干扰措施［J］.机电产品开发与创新，2004（2）：83

［7］SIMCOM.SIM900A_HD_CN_V1.03.2010

［8］钟建波.多传感器信息融合技术的油烟检测系统设计应用［J］.仪器仪表用户.2010（3）：28-29