厨房燃气安全智控系统的设计

华润(集团)有限公司 蒋 云

比亚迪股份有限公司 陈 敏

随着社会经济的发展及环境保护的迫切需要，天然气作为一种清洁能源逐渐走入人们生活中。天然气在带来便利的同时，由于其本身具有一定的易燃易爆性，在一定条件下也会给人们的生命安全和财产带来潜在的威胁。尤其是随着城市燃气管网的普及和延伸，这种潜在威胁发生的可能性逐渐增大。通过近几年燃气爆炸事故发生地点来看，户内一直是燃气事故的频发之地，且发生在室内的燃气事故均会带来较为严重的人员伤亡和财产损失，对社会稳定带来明显的负面影响。根据“燃气大爆炸”微信公众号对 2020年全国燃气安全事故的统计分析，室内燃气安全事故的主要原因是胶管问题和忘关或未完全关闭阀门，两者在室内燃气事故致因中占比高达46%。

近年来，随着燃气公司对不锈钢金属波纹管的应用普及，胶管问题导致燃气泄漏爆炸的情形逐渐得到有效地控制，但对用户忘关或未完全关闭阀门而导致事故的防范上，燃气公司虽已强化用户安全宣传，但实际效果并不明显。笔者通过用户问卷调查和与安检人员的交流，发现用户不能正确关闭阀门的原因主要体现在三个方面，一是由于厨房的个性化装修导致阀门高位设置，用户个人习惯在表柜内堆放杂物，容易导致用户对表前阀或者灶前阀操作不便；二是用户直接没有关闭表前阀或者灶前阀的习惯或意识；三是老年用户群体容易遗忘、或者无意识去关闭表前阀、灶前阀。

鉴于此，本文将从“本质安全”角度出发，提出一套有效防范用户忘关或未完全关闭阀门导致事故发生的厨房燃气安全智控系统的技术方案。该技术方案可实现“关火即关阀”“远程一键切断”及“用气安全实时监控”等功能，将有效提高居民用户燃气系统的安全水平。

1 系统整体框架搭建与功能简介

本厨房燃气安全智控系统采用“1个主机+N个从机”搭建的多点监控与控制系统模式，配合手机APP同步使用。其中主机是燃气灶点火开关状态检测模块、电磁切断阀控制模块、电磁阀工作状态监测模块、无线通信模块等功能模块的集成控制器，从机主要是电磁切断阀、点火开关状态监测器等。系统以STC8F2K64S2为主控，主机与从机之间采用NRF2401L单片射频收发芯片进行收发通信，这样既可以有效避免有线连接后期因线路破损老化导致的系统稳定性和安全性降低问题，同时也提高了系统的美观性。该射频无线网络设置专有网络通信协议，仅限系统所涉及的电气元件接入。具体系统设置框架如图1所示。

图1 厨房燃气安全智控系统框架

1.1 “关火即关阀”功能的实现

系统实现“关火即关阀”功能的原理，如图 2所示。当用户烹饪时，打开燃气灶点火开关，点火开关状态监测器向控制器发送点火开关打开信号指令，控制器接收到指令后，随即向电磁切断阀发送信号指令，电磁切断阀打开，实现正常供气；烹饪结束后，用户将两个燃气灶点火开关均关闭，点火开关状态监测器向控制器发送状态信号指令，控制器接收到指令后，随即向电磁切断阀发送信号指令，电磁切断阀关闭，从而实现“关火即关阀”的功能。这正是主动性防御工作理念的体现，可从根本上有效防止因用户忘关或未完全关闭阀门造成的燃气事故。

图2 “关火即关阀”功能实现原理

1.2 “远程一键切断”功能的实现

系统实现“远程一键切断”防止干烧功能的原理，如图3所示。当用户不在家时，可以通过配套的手机端APP进行电磁切断阀状态监测，如果发现电磁阀处于打开状态，用户可以随时随地根据需要远程一键切断。当然，手机端APP后台也会实时监测电磁切断阀的常开时间，一般系统对电磁切断阀的常开时间默认设置为3 h(用户也可以根据使用需求直接在APP上进行常开时间设置)，当电磁切断阀的常开时间超过3 h时，APP会自动发出用气超时提醒，由用户确认属于忘关灶具情形还是长时间烹饪情形。此外，当用户未及时确认时，终端系统平台会自动锁定用户，由电脑机器人直接拨打用户预留号码进行提醒和确认，从而可以有效地防治干烧事故及其严重后果。另外，对于厨房发生火灾时，用户无法现场关阀，也可通过此功能来实现紧急切断。

图3 “远程一键切断”防止干烧功能实现原理

2 系统硬件设计

2.1 主控模块设计

主控模块是整个系统硬件部分的关键，是协调各模块高效运作的核心。综合考虑到本系统对程序所需要的内存、运行速度、抗外界干扰及成本等因素，系统主控模块选择中国深圳宏晶公司 STC8F系列的STC8F2K64S2单片机，该单片机具有超高速8051内核，最大64K的Flash程序存储器，42个I/O口，抗干扰能力强，超低功耗，宽电压，宽温度，而且售价相对较低[1]。

2.2 通讯模块设计

考虑到本系统主机与从机之间的通信和用户端与系统之间的通信，该系统通信模式分内部和外部两种。通过对现有蓝牙通信技术、NRF24L01无线收发芯片技术、ZigBee通信技术、红外通信技术及WiFi通信技术等5种无线通信技术对比，综合考虑系统硬件设计的要求和成本，本系统内部通信采用NRF24L01无线收发芯片，这种芯片工作频段为2.4～2.5 GHz，工作电压低(一般在1.9 V与3.6 V之间)，调制方式采用高斯频移键控调制方式(GFSK)，具有自动应答和重发功能，最大数据传输率可达2 000 Kibit/s，网络节点较少，数据的安全性相对较高[2]。此外，该芯片还具有一个显著特点，即在发射模式、接收模式、掉电模式和待机模式下能保持较小的电流消耗，尤其在掉电模式或待机模式下的效果更为明显，是嵌入式无线数据收发通信技术的首选。

系统外部通信采用 WiFi技术，并且选用ATK-ESP8266作为整个系统的外网模块。ATK-ESP8266是ALIENTEK公司推出的一款高性能、高性价比的UART-WiFi(串口-无线)模块，该款模块完美兼容了3.3 V和5 V的单片机系统，一般情况下可以直接通过UART与主控模块进行通信，避免了采用电平转换电路进行二次转化，有效控制了硬件成本[3]。

2.3 燃气灶点火开关状态检测模块设计

为了精确掌握燃气灶点火开关状态，燃气灶点火开关状态采用电位器式角度传感器来实现，具体结构如图4所示。

图4 电位器式角度传感器结构

该传感器与燃气灶点火开关通过传动机构组合成一体，在燃气灶点火开关旋转过程中，电位器元件的刷头在电阻滑轨上滑动，其产生的机械位移可直接转换成电信号输出。一般情况下，电阻滑轨与稳态直流电压相连接，刷头端子与输出端之间的电压与刷头在电阻滑轨上转动的角度成正比[4]。

2.4 电磁切断阀模块设计

本系统最关键的从机即为电磁切断阀，它是控制燃气立管与灶具连通的重要单元。本系统中电磁切断阀设置在燃气表前，且选定ZD-20型双稳态高效节能电磁阀作为系统气体截断单元。在具体工作过程中，主控模块通过I/O口输出信号0或1来进行指令发布，但是如果I/O端口受到某种外界干扰或者I/O口内部被直接击穿，这种情况下可能会造成输出信号异常，指令发布异常，系统功能紊乱，影响用户使用燃气，甚至带来潜在的安全隐患。因此，为了提高电磁切断阀的准确、高效运作，对电磁切断阀驱动电路进行调整，采取对阀体两端分别电源控制和方波信号控制一路的模式。

2.5 电源模块设计

电源模块是系统的动力来源的关键，最优的电源模块能够给系统中各模块提供安全、可靠的直流电源，本系统涉及的各个模块工作电压存在差异。主电源可以选用TP4056配套备用电源(5 V输出电压的充电宝)直接供电，而NRF24L01无线收发芯片的供电电压是3.3 V，这里采用AMS1117-3.3的电源稳压芯片进行降压转化[5]，将原有工作电压 5 V转化至3.3 V供NRF24L01正常使用。

3 系统软件设计

3.1 单片机主程序设计

系统主控模块单片机程序设计选用 keil C51(9.59版)编程开发系统，该系统编写代码效率相对于其他编程系统效率更高，且语言更容易被开发者理解[6]。在实际运作过程中，系统通过单片机主程序调用各子程序模块来完成预设功能，子程序模块主要涵盖燃气灶点火开关状态检测模块程序、电磁切断阀控制模块程序、电磁阀工作状态监测模块程序和无线通信模块程序等。当单片机主程序启动后，首先对各个模块进行初始化工作，手机APP端与WiFi模块建立数据通道，然后由手机APP端直接向主机发送控制指令，主机在收到指令后，单片机主程序转至中断服务程序，并开始执行用户指令操作内容，这个过程中，单片机会根据指令的类型，将指令归类到不同的寄存器里，然后再进行读取，根据不同的指令，完成电平输出，此时，电磁切断阀会根据输入端的电平高低执行开闭动作，同时电磁切断阀的工作状态会实时反馈至主控模块。系统主程序流程如图5所示。

图5 系统主程序流程

3.2 手机端APP开发

手机端 APP是用户远程对厨房燃气智控系统操控的平台。手机客户端配备Android和IOS操作系统，用户可以根据不同的手机类型选择性下载安装。手机端 APP的开发工作主要包含主界面的设计、手机与系统的连接状态的控制与显示、电磁切断阀的工作状态显示及“一键远程切断”按钮等。用户借助手机端APP，首先通过Internet网络与服务器进行数据交换，其次服务器通过 WiFi网关与系统主控模块进行数据交换，而主控模块继续可以通过NRF24L01无线收发芯片与系统内其他模块进行数据交流，最终达到用户远程对系统的精确控制目的。手机端APP软件的主程序流程如图6所示。

图6 手机端APP软件的主程序流程

4 结语

本文从有效规避用户“忘关或未完全关闭阀门”导致室内燃气事故的角度出发，提出了一种主动性防御的厨房燃气安全智控系统方案，重点阐述了系统硬件和软件的整体框架和设计思路，能够防范燃气泄漏、干烧等一系列燃气不安全事件，并能可有效提高用户燃气系统的本质安全性，对智慧厨房燃气安全系统的建设具有一定的参考意义，符合当前室内燃气安全管理的现实需要。