基于阿里IOT云平臺(tái)的智能廚房油煙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪昕宇 付俊英 王蘊(yùn)琪 高 爽 龔永罡

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

基于阿里IOT云平臺(tái)的智能廚房油煙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪昕宇 付俊英 王蘊(yùn)琪 高 爽 龔永罡

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

本文描述了基于阿里IOT云平臺(tái)的智能廚房油煙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與具體實(shí)現(xiàn)，通過家庭WiFi，接入阿里IOT云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對家中智能油煙機(jī)的控制。抽煙機(jī)與IOT云平臺(tái)連接的中間設(shè)備,采用以WM-N-BM-09A片上WiFi芯片和STM32F100BV主控芯片為核心的IOT嵌入式模塊進(jìn)行開發(fā),利用WiFi通過無線路由與IOT云平臺(tái)建立通信通道，根據(jù)主控板上傳感器檢測結(jié)果控制油煙機(jī)的開關(guān)、風(fēng)速、狀態(tài)以及高度。測試結(jié)果表明,基于IOT云平臺(tái)的控制系統(tǒng)方案，具有高度自動(dòng)化、反應(yīng)靈敏、油煙處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。

阿里IOT云；抽油煙機(jī)；智能感應(yīng)

1 引言

如今隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對廚房的環(huán)境要求也越來越高，在家庭生活中使用抽油煙機(jī)的頻率和功能要求也隨之提高。老式抽煙機(jī)一般是通過觸摸或按鍵方式操作抽煙機(jī)，但是無法避免的問題是手上做飯會(huì)沾上油，所以手動(dòng)操作在廚房中很不方便。并且人們在做飯時(shí)會(huì)忘記及時(shí)打開抽煙機(jī)或沒有根據(jù)油煙濃度變化隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速，致使屋中油煙沒有高效地被除凈，對人的健康產(chǎn)生很大的威脅。

為解決這一問題，提出基于阿里云平臺(tái)的智能廚房油煙機(jī)[1,2]，利用傳感器、阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對油煙機(jī)的遠(yuǎn)程控制，油煙機(jī)利用傳感器自動(dòng)檢測廚房空氣中有無油霧（油煙、水蒸氣等雜質(zhì)）以及油霧濃度值的變化，然后把檢測到的數(shù)據(jù)傳到阿里云平臺(tái)，阿里云平臺(tái)處理完數(shù)據(jù)后，將指令發(fā)送給油煙機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)的啟?；蜃詣?dòng)控制吸油煙機(jī)的風(fēng)量大小，這樣就會(huì)避免洗凈率差的問題。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

項(xiàng)目由智能廚房油煙機(jī)設(shè)備、WiFi通信及紅外線傳感器設(shè)備、阿里云控制模塊和后臺(tái)云端服務(wù)器構(gòu)成。阿里云平臺(tái)通過HTTP與家庭網(wǎng)關(guān)連接[2]，如今許多家庭都安裝有WiFi，家庭網(wǎng)關(guān)可以通過WiFi通信連接到阿里云模塊，再由阿里云模塊通過UART通信連接油煙機(jī)主控板，自動(dòng)控制抽煙機(jī)的開關(guān)通過紅外傳感器自動(dòng)檢測屋內(nèi)空氣中油煙、水蒸氣等雜質(zhì)，并且能根據(jù)傳感器檢測空氣中的雜質(zhì)濃度值改變抽煙機(jī)的風(fēng)量大小，實(shí)現(xiàn)抽煙機(jī)的智能自動(dòng)無觸摸控制。其中，油煙機(jī)主控板包括：開關(guān)機(jī)設(shè)置、風(fēng)速控制、狀態(tài)顯示、高度調(diào)節(jié)和本地設(shè)置這幾個(gè)功能。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

(1)可以實(shí)現(xiàn)對家庭油煙機(jī)的智能無觸摸開機(jī)、關(guān)機(jī)功能控制。

(2)實(shí)現(xiàn)油煙機(jī)風(fēng)量智能變化大小。

(3)用戶可以隨時(shí)了解油煙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

(4)實(shí)現(xiàn)油煙機(jī)高度智能調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)硬件及協(xié)議設(shè)計(jì)

智能廚房油煙機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括阿里IOT云嵌入式模塊與抽煙機(jī)主控板。

3.1 阿里IOT云模塊的硬件結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)中核心硬件是阿里IOT云模塊，利用嵌入式無線互聯(lián)設(shè)備無線連接平臺(tái)將抽煙機(jī)接入阿里IOT云服務(wù)。阿里IOT云模塊由兩大部分組成，第一部分是數(shù)據(jù)處理模塊：利用STM32F100BV單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。第二部分是數(shù)據(jù)傳送模塊：利用WM-N-BM-09A片上WiFi模塊實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32F100BV使用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能低功耗單片機(jī)。此單片機(jī)可以對外提供一個(gè)UART接口，通信利用單片機(jī)UART接口和外部被控設(shè)備進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和處理的功能。UART接口具有全雙工通訊功能，它不僅可以給被控設(shè)備下發(fā)協(xié)議，讓被控設(shè)備執(zhí)行需要的功能，也可以接收和解析被控設(shè)備上傳的當(dāng)前狀態(tài)，然后發(fā)送到WM-N-BM-09A模塊。數(shù)據(jù)處理單元功能主要包括：解析協(xié)議功能、封裝數(shù)據(jù)包功能、拆包數(shù)據(jù)包功能、管理版本號、處理定時(shí)預(yù)約信息等。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳送模塊

數(shù)據(jù)傳送模塊采用STM32F205RGY6微處理器和Broadcom43362無線WiFi芯片。本模塊可以通過SPI、UART、USB通信接口，可以通過家中WiFi連接到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳送模塊可以連接到路由器，使阿里IOT模塊鏈接到云服務(wù)器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收發(fā)送的功能。它支持的最大帶寬為65Mbit/s，內(nèi)置IEEE 802.11b/g協(xié)議以及802.11n協(xié)議。

3.1.3 阿里IOT模塊和主控板間協(xié)議

阿里IOT模塊和主控板間協(xié)議是指抽煙機(jī)主控MCU與阿里IOT模塊中的STM32F100BV單片機(jī)之間的通信協(xié)議，此通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是以Modbus為標(biāo)準(zhǔn)。本協(xié)議可分為兩種類型，主控板發(fā)送云平臺(tái)控制命令給抽煙機(jī)時(shí)使用的是控制指令協(xié)議，外部設(shè)備傳感器監(jiān)測及收集抽煙機(jī)當(dāng)前狀態(tài)信息使用狀態(tài)反饋協(xié)議。這兩種協(xié)議格式都包括幀頭、源地址、目標(biāo)地址、功能碼、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)碼六部分[3]。油煙機(jī)主控板與阿里云模塊的通信協(xié)議擬采用表1的數(shù)據(jù)格式。

功能碼表示抽煙機(jī)接下來需要執(zhí)行的操作，當(dāng)實(shí)現(xiàn)高度設(shè)置以及風(fēng)速大小設(shè)置時(shí)，數(shù)據(jù)域信息有效。當(dāng)實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)開機(jī)復(fù)位時(shí)，數(shù)據(jù)域信息無效。功能碼的具體內(nèi)容擬采用表2的內(nèi)容。

3.1.4 通過UART通信連接油煙機(jī)主控板與阿里云模塊

阿里IOT云模塊與油煙機(jī)兩者間采用UART通信來實(shí)現(xiàn)傳遞控制指令和反饋狀態(tài)信息，在軟件設(shè)計(jì)方面包含了UART的初始化、報(bào)文接收和報(bào)文分析中斷程序、報(bào)文發(fā)送程序[4]。

在UART初始化的過程中，配置協(xié)議格式中的校驗(yàn)碼、USART波特率數(shù)值以及數(shù)據(jù)位，在完成配置后，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令以及接受當(dāng)前狀態(tài)的信息功能。在發(fā)送程序中，以協(xié)議格式把抽煙機(jī)的控制命令字發(fā)送給抽煙機(jī)，以此可以設(shè)置功能。在控制過程中，單片機(jī)微處理器通過Wi-Fi接收IOT模塊接收的數(shù)據(jù)，解析并提取抽煙機(jī)發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)及信息，然后主控板中MCU以特定封裝格式發(fā)送這條信息到IOT云平臺(tái)。

3.2 油煙機(jī)主控板的設(shè)計(jì)

油煙機(jī)主控板設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)微處理器MCU[5]，它在主控電路中占核心位置。MCU的功能是提取及處理從油煙機(jī)接收的數(shù)據(jù)并且對抽煙機(jī)發(fā)出控制指令?？紤]到油煙機(jī)在廚房中使用時(shí)主控板會(huì)受到空氣中雜質(zhì)、室內(nèi)溫度等影響，選擇器件時(shí)尤為注意這些特點(diǎn)。并且考慮到抽煙機(jī)體積小等問題，采用了STC公司的IAP15L2K61S2單片機(jī)。這款單片機(jī)符合使用環(huán)境及體積要求，并且它比傳統(tǒng)單片機(jī)速度快8-12倍，不僅如此，還具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，常溫下溫飄在5%左右。

表1 主從機(jī)的數(shù)據(jù)格式

表2 功能碼的具體內(nèi)容

4 系統(tǒng)的運(yùn)行與功能測試

在家庭廚房環(huán)境下進(jìn)行本系統(tǒng)的運(yùn)行和功能測試。以智能改變抽煙機(jī)風(fēng)速為例介紹。

抽煙機(jī)開機(jī)后，在保證阿里IOT云模塊與家庭網(wǎng)和廚房油煙機(jī)連接正常的前提下，通過系統(tǒng)的遠(yuǎn)程風(fēng)速控制功能進(jìn)行測試分析。增加炒菜油煙濃度，抽煙機(jī)風(fēng)速增大，持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，油煙濃度大幅度減小，風(fēng)速也隨之減小。經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，抽煙機(jī)能根據(jù)油煙濃度及時(shí)改變風(fēng)速大小。

5 結(jié)語

本文對基于阿里IOT云平臺(tái)的智能廚房油煙機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)。利用UART協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，油煙數(shù)據(jù)經(jīng)過阿里云模塊進(jìn)行處理后，通過主控板實(shí)現(xiàn)油煙機(jī)的開啟、關(guān)閉和風(fēng)速大小調(diào)節(jié)，解決了目前油煙機(jī)使用上的弊端和不便。

[1]崔健，段振剛，齊志男，等．基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的壁掛爐遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J]．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24(9)：56-60．

[2]邵鵬飛，王喆，張寶儒．面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20(2)：474-476．

[3]王根義．CRC校驗(yàn)碼算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(9)：38-40．

[4]閔麗娟，盧捍華，陳玲，等．智能家居的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)無線通信技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21(8)：169-172．

[5]徐汶東．基于無線通信的智能油煙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]．ICSSS，2015：421-425．

Design and Implementation of Intelligent Kitchen Lampblack Machine System Based onAlibaba IOT Cloud Platform

Wang Xinyu Fu Junying Wang YunqiGao Shuang Gong Yonggang
(Beijing Technology and Business University,Beijing 100048)

This paper designs an intelligent kitchen lampblack machine control system based on Alibaba IOT Cloud Platform,which can control the lampblack machine by accessing Alibaba IOT Cloud Platform through home WiFi.The intermediate device,which connects Alibaba IOT Cloud Platform with the lampblack machine,is developed by IOT embedded modules using WM-NBM-09A chip and STM32F100BV chip as the core.The communication channel is established with the wireless router.The lampblack machine instructions of on-off,wind speed,status and height are controlled by the monitoring data of the main control panel.Test result shows that the control system based on Alibaba IOT Cloud Platform is outstanding in automation,sensitivity and cooking fume purification handling.

Alibaba IOT Cloud;lampblack machine;intelligent sensing

TP274

A

1008-6609(2017)10-0068-03

汪昕宇（1997-），女，北京人，本科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。