智能厨房安全监视器

张弛　潘治国

摘 要：独居老人生活的安全问题是一个越来越严重的社会问题，家中安全隐患最严重的就是厨——忘记关火、燃气泄漏、失火等问题让年轻一代很不放心。设计了一种厨房智能安全监视器，可以实时监视厨房燃气是否泄漏，尤其可以监视燃气灶上是否有锅处于干烧状态，可以在出现危险时报警并关闭燃气；同时还设计了操作十分简便的3个闹钟，显示清晰明了，非常适合老年人家庭使用，也适合中等餐厅的厨房使用；设计了蓝牙功能，可以方便地在智能手机上操作和监视。

关键词：厨房安全监视器；红外测温；传感器；编码开关

中图分类号：TP722.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.079

现代社会，许多家庭常常只有老年人在家生活，年轻一代由于忙于工作，只能在周末或更长时间后才能回家陪陪老人，老人在家生活的安全问题成了社会问题。我们经常在电视或网络新闻中看到，家中老人独自生活，忘记关火，结果因失火而造成财产损失或人身安全事故。显然，家中安全隐患最严重的就是厨房——忘记关火、燃气泄漏、失火等，这些问题让晚辈们很不放心。老年人家庭迫切需要一个厨房监视设备。另外，因烹饪需要，经常需要闹钟。但是市场上销售的闹钟一般都只能设置一个定时时间，当有多个菜在烹调并且需要计时时，这些就无法满足需要了。虽然手机的闹钟功能支持多个闹钟时间，但操作复杂，还需要计算预设时间与当下时间的差值。而且手机是一个比较娇贵的高档设备，厨房工作人员手上不是水就是油，在厨房操作手机也非常不合适。对老年人来说，能使用手机打电话就已经很不错了，绝大多数老年人都不会使用智能手机的其他功能，而且老年人记忆力不好，常常在客厅休息就忘了厨房还有没有关火的压力锅等。这就造成了厨房安全隐患，所以老年人尤其需要操作简单的厨房安全监视器。

本文设计了一个智能厨房安全监视器，具有红外测温功能，可以方便地检测灶上各种锅的温度，并判断是否干烧。如果干烧则发出报警，有燃气泄漏报警功能，有操作非常简单的闹钟功能。报警信息可以通过无线方式报告给智能手机，甚至后辈们还可以通过智能手机查看厨房的闹钟、温度、燃气泄漏情况。

1 方案设计

本监视器由单片机、红外温度传感器、可燃性气体传感器、液晶显示屏、编码开关、蓝牙连接模块和WiFi连接模块、继电器等组成。单片机通过检测锅体表面的温度，判断锅体是否处于干烧状态，同时检测可燃性气体浓度是否超标。当检测到锅体干烧或可燃性气体超标时，单片机将显示报警信息，同时切断继电器关闭气源，通过蓝牙向手机发送信息，手机将显示相应的报警信息。为了提高监视器的适用性，同时利用液晶显示

和旋转编码开关设计了3个闹钟，用户可以非常方便地设置和使用闹钟功能。通过手机监控软件，可以在手机上查看监视器的全部状态，并设置闹钟。图1为厨房安全监视器原理。

采用红外温度传感器MLX90614AAA，它是一种红外测温传感器，与接触式的温度传感器不同，它可以远程测量锅体表面的温度。在出厂前，传感器这一模块已进行校验及线性化，具有非接触、体积小、精度高、成本低的优点。被测目标温度和环境温度都能通过数字信号输出，可以直接与单片机接口。为了方便地将传感器对准被测锅体，采用金属软管将温度传感器连接在仪器外壳上，这样在使用时只需要简单调整软管，让温度传感器对准发热的锅就可以了。由于温度传感器的测温区域是一个扇形区域，所以对准的角度允许有较大的范围，大致对准就行了。这就大大提高了设备的易用性。通过反复试验验证，炒菜时，随着加热时间的延长，温度会慢慢上升，但如果锅内有水分，温度会在110 ℃以下，人们在操作时也不会让温度升得太高。而水分烧干后，如果不人为关火降温，温度会随着时间的延长而继续升高，直到烧红甚至起火。

闹钟功能：厨房炖、煮菜时经常要使用闹钟，这也是防止长时间打开灶具后发生危险的效措施之一。本监视器采用旋转编码开关、液晶显示屏和单片机设计了3个闹钟，可以满足大多数厨房的要求，而且由于采用了旋转编码开关作为输入方式，闹钟的设置非常简单，即旋转时设置时间，按下时打开或关闭闹钟。

采用STC15F2K60S2单片机，与8051单片机兼容，但速度更快，功能更强。

本系统中USB接口主要用于下载与调试程序。

2 主要功能模块设计

主要功能模块有温度测量与干烧判断模块、显示模块、实时时间模块、温度和可燃性气体监测模块、蓝牙功能模块等。主程序负责对上述功能模块采用轮询方式进行合理的调用。主程序流程如图2所示。

2.1 温度测量与干烧判断

从MLX90614AAA读出的数据由高8位（DataH）和低8位（DataL）两部分组成，其中RAM地址07H单元存储的是TOBJ1数据，数据范围从0x27AD到0x7FFF，以绝对温度（K）为单位，一个单位数值表示0.02 K，总的温度表示范围为-70.01～382.19 ℃。从传感器中读出的数据（DataH：DataL）换算为温度数据（单位为“℃”）如以下公式所示：

T=（DataH：DataL）×0.02-273.15. （1）

软件由2个函数组成。uint MEM_READ（uchar slave_addR，uchar cmdR）读取传感器内部的RAM数据，在传感器的RAM中，地址06存贮有环境温度值，07H存贮有目标温度值；void CALTEMP（uint TEMP）温度转换，将TEMP的数据按式（1）转换成温度，用于判断和显示。根据试验，我们将在连续10 s超过设定温度时判定为超温。

本文采用“读取3次取中间值”的方法对温度值滤波，以可靠、稳定地读取温度值。

2.2 实时时钟

利用H1302芯片加后备纽扣电池产生实时时间，芯片与单片机之间通过SPI口连接，单片机可以通过SPI口修改和读取当前时间。

主要C语言函数：

2.3 定时器处理

由于单片机的定时器在长时间定时时可能会由于晶振误差而产生较大偏差，所以我们采用了H1302实时时钟专用的芯片计时，它的精度很高，一个月内的误差小于10 s。

用单片机中的定时器每秒钟产生中断，在中断函数中通知主程序读取当前的实时时钟，并根据每个定时器的状态，计算处于打开状态的定时器的剩余时间或者超时时间，并显示出来。

编写的主要C语言函数：

void Timer1Init（）interrupt 3 using 1：定时器1的中断处理函数，定时器被设置成0.5 ms中断一次，在中断程序中将变量SysTime加1，加2 000次后就正好是1 s了，再将秒标志bsec置1.另外，旋转编码开关的状态也在本程序中进行，旋转编码开关每隔0.5 ms检查一次。如果连续检测到2次相同的状态，则被认为是一个可靠的状态。以可靠状态为基础，检测到信号A的一个上升沿则认为是一个旋转动作，再根据B相的高低电平状态判断旋转方向。

void TimeOP（）：在主程序中每秒钟执行一次，判断定时器的状态并处理显示的内容。定时器的运行采用有限状态机编程，定时器总是工作在4种状态，即关闭（状态0）、运行（状态1）、报警（状态2）、停止（状态3）。关闭状态下，显示器显示“关”，定时器不计时，按下对应的开关后进入运行状态。运行状态表示定时器计时还没有到预设的时间，显示器会显示剩余的时间。当剩余时间大于1 min时，以“分钟”为单位；小于1 min时，以“秒”为单位。当时间到了后自动转入状态2，或者按下对应开关后转入“停止状态”。报警状态表示定时秒器预设的时间已经到了，蜂鸣器会发出声音报警，显示器显示闹铃符号，同时显示超时时间（以“秒”为单位），30 s后自动转入停止状态。在停止状态下，显示器保持原来的显示不变——显示“超时30 s”及闹铃符号，但蜂鸣器停止发出声音，与关闭状态的显示不同，以提醒用户这个定时器时间到了，但用户没有理会它，按下对应开关后进入关闭状态。

2.4 蓝牙功能

在家庭使用时，常常是厨房里有食物在炖，人却在客厅短暂休息。为了适用于这种情况，本监视器设计了蓝牙及WiFi功能，配合手机APP软件，就可以在智能手机上查看监视状态，并设置定时器的时间与开关。以蓝牙为例，本文采用蓝牙转串行口的模块，它可以解析蓝牙协议，并在连接成功后成为一个串行口，这样单片机就可以用串行口来操作蓝牙功能了。本手机软件定义了5 个指示灯，其中3个用来指示定时器的状态，另外2个用于温度报警及可燃性气体浓度报警；定义了6个按键，分别是定时器1～3的开关、温度报警复位及状态读取。3个进度条用于设置闹钟时间。

3 实施与测试

为了检测锅体的干烧状态，试验了常用的炒菜锅、高压锅、普通不锈钢水锅等。锅体温度的检测与传感器对着的位置有关——当传感器正对着火焰与锅底的接口部及以下时，温度会高达260 ℃以上；但如果稍向上，传感器正对着锅体时，温度在非干烧状态下不会超过110 ℃，锅内的水烧干后，则温度开始上升，到260 ℃时，锅已经有点发红了。经过反复试验，本仪器将干烧温度设置在160 ℃时可以很可靠地检测到干烧，且此时燃气灶处于安全燃烧状态。所以在本仪器的程序中将温度报警的默认值设置在160 ℃。为了适应其他场合的需要（比如化学实验室），报警温度也设计成了用户可以在0～255 ℃之间任意调整，但重新开机后又恢复160 ℃的默认值。

现在的燃气灶都有“火焰熄灭自动断气”功能，燃气灶内部已经设计有一个电磁阀来切断燃气，我们将安全监视器的输出继电器串联在燃气灶的电磁阀线圈电路中，这样在干烧时，就自动切断了气源。

为了提高仪器的适用性，以后的改进中还可以增加摄像头，这样就可以在办公室里看到厨房的情况。这样，儿女们就可以在办公室里看到年老的爸爸妈妈在厨房里的情况，让人更加放心。

参考文献

[1]李静，裘祖荣，齐永利.MLX90614系列红外测温模块的原理及应用[J].国外电子元器件，2006（1）.

〔编辑：刘晓芳〕