智能廚房環(huán)境監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊玉亮，王秀友，余世干

(阜陽師范大學(xué)信息工程學(xué)院，安徽阜陽 236041)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展以及人們生活水平的日益提高，民眾對于居家環(huán)境的安全性要求也日益增強(qiáng).火災(zāi)是居家環(huán)境安全的最大威脅之一[1,2]，而廚房又是家庭火災(zāi)最主要的根源，因而監(jiān)控廚房火災(zāi)隱患可有效減少火災(zāi)的發(fā)生.廚房火災(zāi)往往是由于廚房電器使用不當(dāng)或可燃?xì)怏w泄漏等原因引發(fā)造成的.特別是對于一些老舊小區(qū)，管線設(shè)計(jì)安裝往往不太合理，加之設(shè)施老化，安全性一般較低，同時此類小區(qū)中的用戶年齡一般較大，行動日益不便，而且大多數(shù)又與子女分離，因而廚房的安全性對他們來說更是至關(guān)重要.以往的廚房報(bào)警裝置大多功能單一，如僅對可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行檢測[3-5]，報(bào)警形式一般也僅為聲音報(bào)警，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前人們對廚房安全的要求，很難保證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性[6].針對此問題，設(shè)計(jì)了一種智能廚房環(huán)境監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shí)時檢測廚房環(huán)境，使用語音播報(bào)和高亮度LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警，還通過SIM800C無線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警提醒，還配有LCD液晶屏顯示系統(tǒng)狀態(tài).系統(tǒng)具有多環(huán)境參數(shù)檢測，報(bào)警方式多樣等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場前景.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)廚房中的火災(zāi)隱患，達(dá)到實(shí)時報(bào)警功能，報(bào)警系統(tǒng)通過各種傳感器進(jìn)行廚房內(nèi)部環(huán)境參數(shù)采集，設(shè)置溫度報(bào)警閾值為45 ℃，可燃性氣體泄漏報(bào)警，廚房煙霧濃度報(bào)警等.為了避免系統(tǒng)無限制和重復(fù)報(bào)警，系統(tǒng)還增加了人體紅外檢測傳感器，當(dāng)檢測到人體活動時，遠(yuǎn)程報(bào)警自動取消，當(dāng)隱患消除后，聲光報(bào)警取消，無需手動清除，實(shí)現(xiàn)報(bào)警智能化.

該系統(tǒng)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(shù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，控制報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，以及和SIM800C模塊進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程報(bào)警提醒.使用MQ-2、MQ-5、DS18B20和HC-SR501等傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)廚房環(huán)境的信息采集[7]，可實(shí)時檢測廚房溫度，可燃性氣體泄露、煙霧以及人員活動等數(shù)據(jù).本地報(bào)警系統(tǒng)使用語音播報(bào)和高亮度LED進(jìn)行聲光報(bào)警，遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)使用SIM800C無線模塊以短信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警提醒.為了能夠顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)是否正常，還擴(kuò)展了LCD液晶屏進(jìn)行工作狀態(tài)顯示，結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall Structure Block Diagram of the System

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器和電源電路設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2微控制器是專為要求高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，該微控制器運(yùn)行速度比普通51單片機(jī)速度快8-12倍.STC12C5A60S2內(nèi)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(diǎn)，作為系統(tǒng)控制器片上資源完成能夠滿足系統(tǒng)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(bào)模塊進(jìn)行通信.電源采用雙電源供電方式，一是使用家庭220 V電源，二是使用9 V電池作為后備電源，防止火災(zāi)發(fā)生時，家庭電源斷電，系統(tǒng)不能工作，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性.主控制器電路和電源電路設(shè)計(jì)如下圖2所示.

圖2 主控制器和電源電路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of Main Controller and Power Supply Circuit

2.2 各傳感器電路接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的測溫傳感器型號為DS18B20數(shù)字傳感器，該傳感器具有封裝多樣，電路結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于各種智能控制設(shè)備溫度測量領(lǐng)域，傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，大大簡化了外部硬件電路的連接.系統(tǒng)采用MQ-5型可燃性傳感器實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境可燃性氣體泄漏檢測，該傳感器對家用燃?xì)獾撵`敏度較高，可以檢測多種家用燃?xì)?，靈敏度高、穩(wěn)定可靠和使用方法簡單.系統(tǒng)采用MQ-2型煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)煙霧檢測[8]，內(nèi)部基本工作電路是惠斯通橋式電路，結(jié)構(gòu)簡單.傳感器具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定高等特點(diǎn)，同時還在電路加入了熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步消除了環(huán)境溫度的影響.使用HC-SR501人體紅外傳感器進(jìn)行人員檢測，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)全自動感應(yīng)，具有重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種工作方式模式，可設(shè)置光敏控制，溫度補(bǔ)償，工作性能穩(wěn)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.

圖3 各傳感器連接電路圖Fig.3 Connection Circuit Diagram of Each Sensor

2.3 GPRS模塊電路

SIM800C模塊作為系統(tǒng)遠(yuǎn)程的通信模塊，同時還集成了藍(lán)牙3.0模塊.可以實(shí)現(xiàn)語音、藍(lán)牙和短信等多種功能.系統(tǒng)采用SIM800C模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的功能.該模塊通過UART2接入系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過AT指令主要實(shí)現(xiàn)以下三個功能，一是系統(tǒng)狀態(tài)信息短信上報(bào)，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置各個環(huán)境參數(shù)報(bào)警閾值，超過閾值將自動發(fā)送短信通知用戶，并及時通知當(dāng)前傳感器輸出信息.二是實(shí)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(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)是否正常，讀取傳感器信息，主要用于日常的系統(tǒng)狀態(tài)檢測.三是語音喊話，系統(tǒng)設(shè)置自動接聽功能，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話.SIM800C模塊電路圖如下圖4所示.

2.4 語音播報(bào)

語音播報(bào)模塊使用SX6288A芯片組成的SX-TTS-A模塊進(jìn)行語音合成，該模塊通過控制器的UART1接口接入系統(tǒng)中，波特率固定為9 600 bps.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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成語音輸出，內(nèi)部還集成的功放電路，可以直接通過喇叭實(shí)現(xiàn)外放.具有3.3 V和5 V兩種電源選擇，使用方法簡單，合成速度快，體積小等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于車載終端語音播報(bào)，機(jī)器人人機(jī)交互，智能設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器片上應(yīng)用程序使用Keil4開發(fā)平臺設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)思路主要是系統(tǒng)實(shí)時循環(huán)采集傳感器數(shù)據(jù)，將人體傳感器結(jié)果和其他數(shù)據(jù)進(jìn)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(bào)和喇叭以及SIM800C等報(bào)警裝置進(jìn)行各種類型的報(bào)警操作，隱患消除后能夠恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài).程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括系統(tǒng)片上資源初始化，無線SIM800C模塊初始化，實(shí)時讀取各個傳感器輸出參數(shù)，判斷安全隱患，與無線模塊SIM800C通信，控制語音播報(bào)和高亮度LED燈發(fā)出聲光信號報(bào)警，控制LCD液晶屏輸出當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)信息等.系統(tǒng)主程序流程圖如下圖6所示.

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.6 Main Program Flow Chart of the System

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

將系統(tǒng)搭建以來，并將軟件和硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試后，系統(tǒng)所有模塊能夠正常工作，各個狀態(tài)顯示正常，全部的硬件實(shí)物實(shí)際運(yùn)行效果如下圖7所示，其中，使用LCD液晶屏顯示當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)信息和傳感器輸出.實(shí)驗(yàn)時，將環(huán)境報(bào)警溫度設(shè)置在20 ℃以下，此時高亮度LED等閃爍報(bào)警，喇叭能夠播放“溫度過低”報(bào)警，SIM800C模塊能夠根據(jù)程序中設(shè)備的短信接收號碼發(fā)出報(bào)警短信.通過實(shí)際測試結(jié)果表明，當(dāng)廚房的各個設(shè)定環(huán)境達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的危險(xiǎn)閾值后，系統(tǒng)能夠可靠工作運(yùn)行良好，整體效果符合預(yù)期需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.

圖7 硬件整體運(yùn)行實(shí)物圖Fig.7 Hardware Overall Operation Diagram

5 結(jié)論

針對廚房環(huán)境極易引發(fā)火災(zāi)事故，大多數(shù)智能家居廚房報(bào)警系統(tǒng)功能單一，控制簡單等問題，設(shè)計(jì)了一種智能廚房環(huán)境檢測與報(bào)警系統(tǒng).通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測廚房環(huán)境中的可燃性氣體、煙霧、溫度和人員等環(huán)境信息，并能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程短信報(bào)警提醒功能.系統(tǒng)運(yùn)行可靠，成本低，適用于家居、倉庫和煤礦等環(huán)境，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場前景.