基于物聯(lián)網(wǎng)的煤氣灶智能控制裝置設(shè)計

譚偉健，洪遠泉，張玉芹，沈浩杰，梁燕萍，王麗琴，李宇航

（韶關(guān)學院 智能工程學院，廣東 韶關(guān) 512005）

煤氣灶是很多家庭日常生活中必不可少的炊具.根據(jù)全國煤氣灶類型的使用數(shù)據(jù)報告，當前家用燃氣灶［1］類型占比最大的是傳統(tǒng)的機械式煤氣灶.傳統(tǒng)煤氣灶具雖然具有成本低和操作簡單的特點，但也存在不少缺陷.如缺乏自動檢測控制裝置，無法應對煤氣泄漏問題；需人工操作控制，不能像智能電飯煲一樣實現(xiàn)預定義烹飪等.

為解決傳統(tǒng)的機械式煤氣灶的這些缺陷，筆者提出一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤氣灶智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案.通過改進煤氣灶的操作控制方式，融合電子控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)煤氣泄漏報警與氣體自動關(guān)斷、煤氣灶工作方式智能控制、遠程控制等功能［2］.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，以微處理器為核心，外接氣閥控制模塊、攝像頭模塊、氣體檢測模塊、點火控制模塊和WIFI 模塊.控制裝置可以通過WIFI 模塊直接連接智能手機或者通過互聯(lián)網(wǎng)連接智能手機.氣體檢測模塊用于檢測系統(tǒng)周圍空氣中的燃氣數(shù)據(jù).微處理器對采集的燃氣數(shù)據(jù)進行分析判斷，出現(xiàn)燃氣泄漏時可自動關(guān)閉煤氣灶的電子閥門，切斷煤氣源.攝像頭模塊可以在系統(tǒng)工作時采集煤氣灶的圖像信息，并發(fā)送到用戶端APP 上；點火控制模塊采用繼電器控制脈沖點火器的電源通斷，實現(xiàn)自動點火控制.

2 系統(tǒng)主要模塊電路設(shè)計

2.1 處理器控制電路設(shè)計

微 處 理 器 采 用STM32F1O3ZET6 主 板［3］.基 于ARM Cortex-Mlei 內(nèi)核32 位的微控制微控制器，具有72 MHz 工作頻率，可快速運行AI 算法.內(nèi)置有高速存儲器（包括512 KB 字節(jié)的閃存，64 KB 字節(jié)的SRAM）［4］，自帶4 個片選的靜態(tài)存儲器控制器，支持CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和NAND 存儲器，并行LCD 接口，兼容8080/6800 模式.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 氣閥控制電路設(shè)計

如圖2 所示，步進電機采用兩相的42 步進電機，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件.在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角.

2.3 點火控制電路設(shè)計

在傳統(tǒng)煤氣灶脈沖點火器基礎(chǔ)上，設(shè)計了微處理器控制的電子點火器.電路圖如圖3 所示，微處理器的IO 口控制三極管的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)繼電器的通和斷的操作.當IO 口為高電平時，三極管飽和導通，繼電器線圈通過電流，開關(guān)閉合，將1.5 V 電池電壓接入傳統(tǒng)的脈沖點火器.脈沖點火器內(nèi)部包含高頻振蕩器和升壓變壓器，可產(chǎn)生瞬間高壓并通過尖端放電實現(xiàn)點火.當完成點火后，IO 口變?yōu)榈碗娖?，三極管截止，繼電器開關(guān)斷開，脈沖點火器斷電，停止工作.點火的時間長度，可以通過設(shè)置IO 口的高電平持續(xù)時間控制.

2.4 氣體檢測電路設(shè)計

煤氣泄漏采用金屬氧化物半導體型可燃氣體傳感器MQ-9 檢測.該傳感器的原理是根據(jù)燃氣分子在半導體氧化物薄膜表面吸附過程中發(fā)生的氧化——還原反應后，導致阻值變化從而檢測出是否存在煤氣泄漏［5］.MQ-9 可燃氣體傳感器擁有4 個IO 口，1 個VCC，1 個GND，1 個DO 開關(guān)信號（TTL）輸出和一個AO 模擬信號輸出.DO 輸出有效信號為低電平.AO 模擬輸出的電壓，檢測的可燃氣體濃度越高，模擬輸出電壓越高.

2.5 WIFI 模塊電路

WIFI 模塊采用ESP8266 芯片模塊實現(xiàn)，作為用戶手機APP 和系統(tǒng)交互的橋梁.ESP8266 模塊具有低功耗，集成度高等優(yōu)勢.ESP8266 模塊集成了 32 位 Tensilica 處理器、標準數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻巴倫、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，所需外圍電路非常少.支持實時操作系統(tǒng) （RTOS）和 WIFI 協(xié)議棧.

ESP8266 與STM32F103ZET6 采用的通信是采用基于AT 指令的串口通信方式.AT+CWJAP 指令的功能是連接無線WIFI 的指令，它有兩個參數(shù)分別是＜ssid＞（接入點名稱）和＜pwd＞（密碼），它的設(shè)置命令AT+CWJAP=＜ssid＞，＜pwd＞，加入該AP 成功則返回OK，失敗則返回ERROR.AT+CIPSTART 指令的功能是訪問指定網(wǎng)絡(luò)位置［6］.它也有3 個參數(shù)，分別是連接類型、遠程服務器IP 地址、遠程服務器端口號.控制這兩條宏指令，就可以實現(xiàn)ESP8266 與遠程服務器連接.

2.6 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用Pixy CMUcam5 Sensor 雙目高清攝像頭，該模塊集成OV9715 圖像傳感器和恩智浦NXP LPC4330 雙核處理器.該模塊是基于色調(diào)過濾算法來識別物體.它通過其處理器內(nèi)部的算法，以顏色為中心來處理圖像數(shù)據(jù)，選擇性地過濾無用信息，從而得到有效信息讓圖像識別變得更容易.同時，該模塊具有強大的多色彩顏色識別及色塊追蹤能力，能在線實時獲取高精度的圖像幀數(shù).通過攝像頭模塊把煤氣灶的圖像在線實時傳輸至用戶端，用戶可以隨時隨地看到煤氣灶實時狀態(tài)信息.

圖2 氣閥控制電路

圖3 點火控制電路

3 軟件設(shè)計

3.1 微處理器軟件設(shè)計流程

微處理器的編程利用Keil uVision5 來完成.進行設(shè)備初始化后，裝置會打開所有傳感器，并且會采集相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，便會反饋給用戶，并且關(guān)閉煤氣閥門.裝置有多個按鍵，按鍵1 讓步進電機正轉(zhuǎn)來打開閥門，按鍵2 讓步進電機反轉(zhuǎn)用于關(guān)閉閥門，按鍵1 和按鍵2 相互配合即可控制閥門大小.按鍵3 可用于控制何時打開閥門和關(guān)閉閥門，便于無人在家時使用.按鍵4 用于裝置的脫機控制，按鍵5 則可以鎖定煤氣灶的狀態(tài).

3.2 用戶端手機APP 設(shè)計

用戶端的APP 設(shè)計是基于eclipse 開發(fā)平臺設(shè)計的，通過ESP8266 模塊接入局域網(wǎng)，通過調(diào)用機智云平臺，基于MQTT 協(xié)議，作為服務端和手機通信，可實現(xiàn)遠程控制和狀態(tài)上報［7］.APP 主要實現(xiàn)的功能有：遠程讀取煤氣灶的圖傳信息、煤氣灶開火和關(guān)火控制、煤氣灶火力增加與火力減少控制、預約煤氣灶工作時間、設(shè)定煤氣灶連續(xù)工作時間.APP 設(shè)計框圖如圖5 所示.

機智云平臺將數(shù)據(jù)通過ESP8266 的WIFI 模塊傳輸至主控板，主控板根據(jù)指令向相應的端口發(fā)送高低電頻，控制步進電機的工作，從而驅(qū)動各個部件運動.反之，通過ESP8266 的WIFI 模塊將收集到的信息通過機智云平臺傳到移動APP 終端，移動端APP 中實時顯示智能煤氣灶各項數(shù)據(jù).用戶可以根據(jù)自己的實際需求來調(diào)節(jié)智能煤氣灶.

圖4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖

4 裝置總體結(jié)構(gòu)模型圖

裝置的結(jié)構(gòu)模型圖如圖6 所示.左下方為一個步進電機控制的閥門，靈活控制閥門的大?。唤?jīng)過改進的點火裝置裝入煤氣灶內(nèi)部，支撐臺中間有一直立棒，頂頭裝配有攝像頭和可燃氣體檢測器.最右邊為一液晶顯示屏操控臺，操作簡單.裝置布線和細小零件全部在支撐臺底部，既節(jié)約空間又美觀.

圖5 APP 設(shè)計框圖

圖6 結(jié)構(gòu)模型圖

5 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，居家安全成為了人們關(guān)注的熱點.針對廚房的傳統(tǒng)煤氣灶安全缺陷，筆者提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的煤氣灶安全裝置［8］的設(shè)計方案，硬件上包括攝像頭模塊、氣體探頭模塊和熱成像模塊等；軟件上由手機APP 進行遠程控制.在傳統(tǒng)煤氣灶上進行了改進，增加了安全裝置，實現(xiàn)了實時監(jiān)控煤氣灶異常以及控制煤氣閥門開關(guān).此裝置遵循模塊化設(shè)計，成本低，具有一定的市場前景.