基于物联网的智能厨房安全系统设计

孙春志，胡笑林，王雪闯

（商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000）

0 引 言

由于气体燃料具有方便易燃、绿色环保、经济实惠等优点，近年来被越来越多的家庭使用，但气体燃料也存在一定的危害，一旦发生泄露，轻则损伤人体神经系统，重则将直接危及生命。在气体燃料十分普及的今日，因燃气问题引发的安全事故不胜枚举。为加强厨房安全的日常防范，本文介绍了一种安全、高效、智能的厨房安全系统的设计，该系统可以很大程度上降低厨房燃气事故发生率，保护人们的生命和财产安全，给人们使用厨房带来极大的安全和便利。

1 系统方案设计

系统以 STC8F2K64S2作为主控，由主机和从机两部分组成。主机是燃气检测系统，由主控电路、备用电源、气体检测、温度检测、LCD显示以及无线通信等组成。

当系统检测到燃气、温度和火焰时，单片机会根据接收到的模拟量判定是否已经发生或将要发生安全事故。当燃气浓度、温度、火焰超过设置的限定值时，蜂鸣器立即发出报警，并通过无线通信模块传递命令给从机，使从机控制机械手臂和继电器，对厨房进行断电、断气操作[1]。系统整体设计原理如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 主控电路设计

主控电路是该系统硬件电路的核心，它直接控制着其他外围电路，协调各模块工作。考虑到该设计对程序所需内存、响应速度及硬件功能的要求，特选用具有大容量、高速度、低功耗、抗干扰强等特点的STC8F2K64S2芯片[2]，其最小系统电路如图2所示。

图1 整体设计原理框图

图2 单片机最小系统电路图

2.2 电源电路设计

电源选用TP4056，它具有外围电路简单、充电精度高等优点。电池输出端用二极管与电源适配器隔开以防止灌流。正常使用时，通过适配器为系统供电，断电时，备用的锂电池18650为系统供电[3]。充电电路原理如图3所示。

2.3 监测电路设计

监测电路由温度监测、气体监测、火焰监测部分组成。温度监测采用DS18B20传感器，它是单总线数字温度计，读取温度数及指示器件的温度。数据经一根数据线读入DS18B20或从DS18B20送出[4]。数据线本身可以提供读、写以及完成温度转换所需要的电源，无需外接电源。

图3 TP4059充电电路图

气体监测采用MQ-2烟雾传感器。MQ-2是一种N型半导体器件，它由二氧化锡半导体气敏材料制造而成，可对甲烷、丙烷、丁烷、氢气、烟雾、酒精浓度等进行检测，尤其对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度，具有使用寿命长和稳定可靠等特点。在系统正常工作时，MQ-2烟雾传感器输出的模拟量通过主控电路的A/D转换器后，系统可获得准确的燃气浓度数字量，当检测值超过设定阈值时，主机开始响应，并向从机发送指令[5]。MQ-2烟雾检测电路如图4所示。

火焰检测采用红外光谱传感器，该传感器适用于各种火焰、火源的检测。可检测火焰或者波长在760～1100 nm范围内的光源，探测角度约60°，对火焰光谱尤为灵敏[6]。与气体传感器相似，该传感器输出的模拟量通过主控电路的A/D转换器后，系统可获得准确的火焰强度数字量，当检测值超过设定阈值时，主机开始响应，并向从机发送指令。火焰检测电路如图5所示。

图4 MQ-2烟雾检测电路图

图5 火焰检测电路图

2.4 通信电路设计

该设计分为内部通信和外部通信两部分。系统内部主从机的通信采用nRF24L01无线通信模块，nRF24L01是NORDIC出厂的无线芯片，其工作频率为2.4 GHz[7]。nRF24L01的一个显著优点是功耗小、电流极低，尤其在掉电模式或待机模式下电流更小[8-9]。系统待机状态下，主机通过nRF24L01向从机传送厨房的安全状态。上位机与下位机无线通信电路原理如图6所示。

图6 无线通信电路图

图7 外部通信电路图

系统外部通信采用SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司推出的一款高性能工业级 GSM/GPRS模块，可以低功耗实现语音、DTMF、SMS（短消息服务）、GPRS 数据的传输[10]。当主机检测到危险发生时，从机控制该模块的SMS功能向相关人员发送险情短信。SIM900A电路如图7所示。

2.5 断电、断气电路设计

本设计的断电、断气功能通过继电器和机械手臂控制来实现，当从机无线模块接收到主机监测模块发送来的险情信息时，从机通过控制继电器和机械手臂切断厨房的供电和燃气阀门的开关[11]。该系统还配有备用电源，即使厨房断电，系统也能正常进行断电、断气工作。自动断气结构如图8所示。

图8 自动断气机械手臂示意图

3 软件系统设计

该系统的程序分为主机检测系统部分和从机断电、断气控制系统部分。

3.1 主机程序

主机主程序包括系统硬件初始化、初始化信息显示、nRF24L01自检、温度过高及燃气泄漏判断、报警、发送短信、与从机通信。主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程图

3.2 从机程序

从机断电、断气程序过程：首先将从机的硬件进行初始化，从机通过nRF24L01与主机通信，当从机通过nRF24L01接收到主机发送的信息后，判断信息是否接收完成，未接收完成则继续接收，接收完成后单片机控制继电器或机械手臂进行断电、断气操作。从机断电、断气程序流程如图10所示。

图10 从机程序流程图

4 结 语

经过多次实地测试，厨房安全系统完美实现了从燃气检测、温度检测、火焰检测到系统报警，再到控制从机断电、断气，最后发送险情短信给相关人员及部门等一系列功能操作。该系统达到了预期效果，较好地解决了因厨房燃气泄漏所引发的问题，保障了人们的财产及生命安全。