智能廚房環境監測探討

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摘要:針對廚房環境極易引發火災事故，現有廚房報警系統功能單一等問題，設計一種智能廚房環境監測與報警系統.該系統能夠檢測廚房的溫度，可燃性氣體泄漏和煙霧等環境參數，使用語音播報模塊和LED燈光進行聲光報警提醒，同時使用SIM800C無線模塊以短信的方式將報警信息發送給遠程用戶.該系統能夠做到及時報警通知用戶避免廚房火災的發生，還適用于倉庫、煤礦等環境，具有較高的應用價值和市場前景.

關鍵詞:智能家居;SIM800C;嵌入式系統;火災報警

隨著社會經濟水平的不斷發展以及人們生活水平的日益提高，民眾對于居家環境的安全性要求也日益增強.火災是居家環境安全的最大威脅之一［1，2］，而廚房又是家庭火災最主要的根源，因而監控廚房火災隱患可有效減少火災的發生.廚房火災往往是由于廚房電器使用不當或可燃氣體泄漏等原因引發造成的.特別是對于一些老舊小區，管線設計安裝往往不太合理，加之設施老化，安全性一般較低，同時此類小區中的用戶年齡一般較大，行動日益不便，而且大多數又與子女分離，因而廚房的安全性對他們來說更是至關重要.以往的廚房報警裝置大多功能單一，如僅對可燃氣體泄漏進行檢測［3－5］，報警形式一般也僅為聲音報警，遠遠不能滿足當前人們對廚房安全的要求，很難保證系統運行的有效性［6］.針對此問題，設計了一種智能廚房環境監測與報警系統，該系統使用溫度、可燃性氣體、煙霧傳感器和人體紅外傳感器等多種傳感器實時檢測廚房環境，使用語音播報和高亮度LED燈進行聲光報警，還通過SIM800C無線模塊進行遠程報警提醒，還配有LCD液晶屏顯示系統狀態.系統具有多環境參數檢測，報警方式多樣等特點，具有較高的實際應用價值和市場前景.

1系統總體方案設計

為了能夠及時發現廚房中的火災隱患，達到實時報警功能，報警系統通過各種傳感器進行廚房內部環境參數采集，設置溫度報警閾值為45℃，可燃性氣體泄漏報警，廚房煙霧濃度報警等.為了避免系統無限制和重復報警，系統還增加了人體紅外檢測傳感器，當檢測到人體活動時，遠程報警自動取消，當隱患消除后，聲光報警取消，無需手動清除，實現報警智能化.該系統使用STC12C5A微控制器作為主控制器，其主要功能是對各個傳感器采集到的參數進行分析和處理，根據數據處理結果，控制報警電路進行聲光報警，以及和SIM800C模塊進行通信實現數據的遠程報警提醒.使用MQ－2、MQ－5、DS18B20和HC－SR501等傳感器能夠實現廚房環境的信息采集［7］，可實時檢測廚房溫度，可燃性氣體泄露、煙霧以及人員活動等數據.本地報警系統使用語音播報和高亮度LED進行聲光報警，遠程報警系統使用SIM800C無線模塊以短信方式進行遠程報警提醒.為了能夠顯示系統當前的工作狀態是否正常，還擴展了LCD液晶屏進行工作狀態顯示，結構框圖如下圖1所示.

2系統硬件電路設計

2．1主控制器和電源電路設計

STC12C5A60S2微控制器是專為要求高性能、低功耗的嵌入式應用專門設計的，該微控制器運行速度比普通51單片機速度快8－12倍.STC12C5A60S2內置2個通用全雙工異步串行口，具有功耗低，安全可靠等特點，作為系統控制器片上資源完成能夠滿足系統要求.主要通過UART1接口與無線模塊SIM800C通信和使用UART2與語音播報模塊進行通信.電源采用雙電源供電方式，一是使用家庭220V電源，二是使用9V電池作為后備電源，防止火災發生時，家庭電源斷電，系統不能工作，保證系統運行的可靠性.主控制器電路和電源電路設計如下圖2所示.

2．2各傳感器電路接口設計

系統采用的測溫傳感器型號為DS18B20數字傳感器，該傳感器具有封裝多樣，電路結構簡單，準確度高等特點，主要應用于各種智能控制設備溫度測量領域，傳感器采用單總線結構，大大簡化了外部硬件電路的連接.系統采用MQ－5型可燃性傳感器實現家居環境可燃性氣體泄漏檢測，該傳感器對家用燃氣的靈敏度較高，可以檢測多種家用燃氣，靈敏度高、穩定可靠和使用方法簡單.系統采用MQ－2型煙霧傳感器實現室內煙霧檢測［8］，內部基本工作電路是惠斯通橋式電路，結構簡單.傳感器具有響應速度快、穩定高等特點，同時還在電路加入了熱敏電阻進行溫度補償，進一步消除了環境溫度的影響.使用HC－SR501人體紅外傳感器進行人員檢測，該傳感器能夠實現全自動感應，具有重復觸發和不可重復觸發兩種工作方式模式，可設置光敏控制，溫度補償，工作性能穩定可靠性高.各個傳感器與STC12C5A的連接的電路圖如下圖3所示.

2．3GPRS模塊電路

SIM800C模塊作為系統遠程的通信模塊，同時還集成了藍牙3．0模塊.可以實現語音、藍牙和短信等多種功能.系統采用SIM800C模塊實現系統和用戶之間進行遠程交互的功能.該模塊通過UART2接入系統中，系統通過AT指令主要實現以下三個功能，一是系統狀態信息短信上報，系統預先設置各個環境參數報警閾值，超過閾值將自動發送短信通知用戶，并及時通知當前傳感器輸出信息.二是實時接收用戶短信控制指令，用戶可以通過短信指令檢測系統當前工作狀態是否正常，讀取傳感器信息，主要用于日常的系統狀態檢測.三是語音喊話，系統設置自動接聽功能，一旦發生危險，可以進行遠程喊話.SIM800C模塊電路圖如下圖4所示.

2．4語音播報語音播報模塊使用

SX6288A芯片組成的SX－TTS－A模塊進行語音合成，該模塊通過控制器的UART1接口接入系統中，波特率固定為9600bps.使用控制器的TXD連接模塊的T引腳，無需額外電路即可將文本數據轉換成語音輸出，內部還集成的功放電路，可以直接通過喇叭實現外放.具有3．3V和5V兩種電源選擇，使用方法簡單，合成速度快，體積小等特點，主要應用于車載終端語音播報，機器人人機交互，智能設備等應用領域.

3系統軟件設計

系統控制器片上應用程序使用Keil4開發平臺設計，軟件設計思路主要是系統實時循環采集傳感器數據，將人體傳感器結果和其他數據進行融合判斷處理，分析出存在安全隱患時，使用高亮度LED燈閃爍、語言播報和喇叭以及SIM800C等報警裝置進行各種類型的報警操作，隱患消除后能夠恢復正常運行狀態.程序設計主要內容包括系統片上資源初始化，無線SIM800C模塊初始化，實時讀取各個傳感器輸出參數，判斷安全隱患，與無線模塊SIM800C通信，控制語音播報和高亮度LED燈發出聲光信號報警，控制LCD液晶屏輸出當前系統狀態信息等.系統主程序流程圖如下圖6所示.

4系統測試及結果

將系統搭建以來，并將軟件和硬件進行聯合調試后，系統所有模塊能夠正常工作，各個狀態顯示正常，全部的硬件實物實際運行效果如下圖7所示，其中，使用LCD液晶屏顯示當前系統的狀態信息和傳感器輸出.實驗時，將環境報警溫度設置在20℃以下，此時高亮度LED等閃爍報警，喇叭能夠播放“溫度過低”報警，SIM800C模塊能夠根據程序中設備的短信接收號碼發出報警短信.通過實際測試結果表明，當廚房的各個設定環境達到系統設定的危險閾值后，系統能夠可靠工作運行良好，整體效果符合預期需求，達到了設計目的.5結論針對廚房環境極易引發火災事故，大多數智能家居廚房報警系統功能單一，控制簡單等問題，設計了一種智能廚房環境檢測與報警系統.通過實驗結果表明，該系統能夠實時檢測廚房環境中的可燃性氣體、煙霧、溫度和人員等環境信息，并能夠準確的實現聲光報警和遠程短信報警提醒功能.系統運行可靠，成本低，適用于家居、倉庫和煤礦等環境，具有較高的實際應用價值和市場前景.

參考文獻:

［1］洪樹亮．基于STM32F103住宅智能防火防盜報警系統的設計［D］．蘭州:蘭州交通大學，2015．

［2］劉藍．基于無線傳感技術的秸稈焚燒火點在線監測系統設計與實現［J］．東北農業大學學報，2020，51(9):89－96．

［3］胡金良，李志成，張翠俠．基于STC89C52單片機和GSM的廚房安全監測系統設計．河北北方學院學報，2018，34(5):12－16．

［4］潘學文，王增榮，陳明武．基于單片機和GSM模塊的紅外防盜報警系統［J］．湖南科技學院學報，2016，37(10):26－28．

［5］胡靜泓．流程工業分布式智能報警管理系統的研究與開發［D］．杭州:浙江大學，2015．

［6］陶玉貴，陳萬順，王勇．基于GPRS和組態王的遠程無線通信系統設計［J］．數字技術與應用，2020，38(7):31－33．

［7］王瑞兵．彈藥庫防盜防火檢測系統設計［D］．保定:河北大學，2015．

［8］馬沙沙．基于Arduino＆Android的煙霧報警系統［D］．西安:長安大學，2017．

作者：邊玉亮 王秀友 余世干 單位：阜陽師范大學信息工程學院