基于物联网的煤气灶智能控制装置设计

谭伟健，洪远泉，张玉芹，沈浩杰，梁燕萍，王丽琴，李宇航

（韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512005）

煤气灶是很多家庭日常生活中必不可少的炊具.根据全国煤气灶类型的使用数据报告，当前家用燃气灶［1］类型占比最大的是传统的机械式煤气灶.传统煤气灶具虽然具有成本低和操作简单的特点，但也存在不少缺陷.如缺乏自动检测控制装置，无法应对煤气泄漏问题；需人工操作控制，不能像智能电饭煲一样实现预定义烹饪等.

为解决传统的机械式煤气灶的这些缺陷，笔者提出一种新的基于物联网技术的煤气灶智能控制系统设计方案.通过改进煤气灶的操作控制方式，融合电子控制技术和网络控制技术，实现煤气泄漏报警与气体自动关断、煤气灶工作方式智能控制、远程控制等功能［2］.

1 系统总体结构

系统结构图如图1 所示，以微处理器为核心，外接气阀控制模块、摄像头模块、气体检测模块、点火控制模块和WIFI 模块.控制装置可以通过WIFI 模块直接连接智能手机或者通过互联网连接智能手机.气体检测模块用于检测系统周围空气中的燃气数据.微处理器对采集的燃气数据进行分析判断，出现燃气泄漏时可自动关闭煤气灶的电子阀门，切断煤气源.摄像头模块可以在系统工作时采集煤气灶的图像信息，并发送到用户端APP 上；点火控制模块采用继电器控制脉冲点火器的电源通断，实现自动点火控制.

2 系统主要模块电路设计

2.1 处理器控制电路设计

微 处 理 器 采 用STM32F1O3ZET6 主 板［3］.基 于ARM Cortex-Mlei 内核32 位的微控制微控制器，具有72 MHz 工作频率，可快速运行AI 算法.内置有高速存储器（包括512 KB 字节的闪存，64 KB 字节的SRAM）［4］，自带4 个片选的静态存储器控制器，支持CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和NAND 存储器，并行LCD 接口，兼容8080/6800 模式.

图1 系统总体结构图

2.2 气阀控制电路设计

如图2 所示，步进电机采用两相的42 步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件.在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角.

2.3 点火控制电路设计

在传统煤气灶脉冲点火器基础上，设计了微处理器控制的电子点火器.电路图如图3 所示，微处理器的IO 口控制三极管的开关状态，实现继电器的通和断的操作.当IO 口为高电平时，三极管饱和导通，继电器线圈通过电流，开关闭合，将1.5 V 电池电压接入传统的脉冲点火器.脉冲点火器内部包含高频振荡器和升压变压器，可产生瞬间高压并通过尖端放电实现点火.当完成点火后，IO 口变为低电平，三极管截止，继电器开关断开，脉冲点火器断电，停止工作.点火的时间长度，可以通过设置IO 口的高电平持续时间控制.

2.4 气体检测电路设计

煤气泄漏采用金属氧化物半导体型可燃气体传感器MQ-9 检测.该传感器的原理是根据燃气分子在半导体氧化物薄膜表面吸附过程中发生的氧化——还原反应后，导致阻值变化从而检测出是否存在煤气泄漏［5］.MQ-9 可燃气体传感器拥有4 个IO 口，1 个VCC，1 个GND，1 个DO 开关信号（TTL）输出和一个AO 模拟信号输出.DO 输出有效信号为低电平.AO 模拟输出的电压，检测的可燃气体浓度越高，模拟输出电压越高.

2.5 WIFI 模块电路

WIFI 模块采用ESP8266 芯片模块实现，作为用户手机APP 和系统交互的桥梁.ESP8266 模块具有低功耗，集成度高等优势.ESP8266 模块集成了 32 位 Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频巴伦、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，所需外围电路非常少.支持实时操作系统 （RTOS）和 WIFI 协议栈.

ESP8266 与STM32F103ZET6 采用的通信是采用基于AT 指令的串口通信方式.AT+CWJAP 指令的功能是连接无线WIFI 的指令，它有两个参数分别是＜ssid＞（接入点名称）和＜pwd＞（密码），它的设置命令AT+CWJAP=＜ssid＞，＜pwd＞，加入该AP 成功则返回OK，失败则返回ERROR.AT+CIPSTART 指令的功能是访问指定网络位置［6］.它也有3 个参数，分别是连接类型、远程服务器IP 地址、远程服务器端口号.控制这两条宏指令，就可以实现ESP8266 与远程服务器连接.

2.6 摄像头模块

摄像头模块采用Pixy CMUcam5 Sensor 双目高清摄像头，该模块集成OV9715 图像传感器和恩智浦NXP LPC4330 双核处理器.该模块是基于色调过滤算法来识别物体.它通过其处理器内部的算法，以颜色为中心来处理图像数据，选择性地过滤无用信息，从而得到有效信息让图像识别变得更容易.同时，该模块具有强大的多色彩颜色识别及色块追踪能力，能在线实时获取高精度的图像帧数.通过摄像头模块把煤气灶的图像在线实时传输至用户端，用户可以随时随地看到煤气灶实时状态信息.

图2 气阀控制电路

图3 点火控制电路

3 软件设计

3.1 微处理器软件设计流程

微处理器的编程利用Keil uVision5 来完成.进行设备初始化后，装置会打开所有传感器，并且会采集相关数据，一旦发现数据异常，便会反馈给用户，并且关闭煤气阀门.装置有多个按键，按键1 让步进电机正转来打开阀门，按键2 让步进电机反转用于关闭阀门，按键1 和按键2 相互配合即可控制阀门大小.按键3 可用于控制何时打开阀门和关闭阀门，便于无人在家时使用.按键4 用于装置的脱机控制，按键5 则可以锁定煤气灶的状态.

3.2 用户端手机APP 设计

用户端的APP 设计是基于eclipse 开发平台设计的，通过ESP8266 模块接入局域网，通过调用机智云平台，基于MQTT 协议，作为服务端和手机通信，可实现远程控制和状态上报［7］.APP 主要实现的功能有：远程读取煤气灶的图传信息、煤气灶开火和关火控制、煤气灶火力增加与火力减少控制、预约煤气灶工作时间、设定煤气灶连续工作时间.APP 设计框图如图5 所示.

机智云平台将数据通过ESP8266 的WIFI 模块传输至主控板，主控板根据指令向相应的端口发送高低电频，控制步进电机的工作，从而驱动各个部件运动.反之，通过ESP8266 的WIFI 模块将收集到的信息通过机智云平台传到移动APP 终端，移动端APP 中实时显示智能煤气灶各项数据.用户可以根据自己的实际需求来调节智能煤气灶.

图4 控制系统的软件设计流程图

4 装置总体结构模型图

装置的结构模型图如图6 所示.左下方为一个步进电机控制的阀门，灵活控制阀门的大小；经过改进的点火装置装入煤气灶内部，支撑台中间有一直立棒，顶头装配有摄像头和可燃气体检测器.最右边为一液晶显示屏操控台，操作简单.装置布线和细小零件全部在支撑台底部，既节约空间又美观.

图5 APP 设计框图

图6 结构模型图

5 结语

随着城市的发展，居家安全成为了人们关注的热点.针对厨房的传统煤气灶安全缺陷，笔者提出了一种基于物联网的煤气灶安全装置［8］的设计方案，硬件上包括摄像头模块、气体探头模块和热成像模块等；软件上由手机APP 进行远程控制.在传统煤气灶上进行了改进，增加了安全装置，实现了实时监控煤气灶异常以及控制煤气阀门开关.此装置遵循模块化设计，成本低，具有一定的市场前景.