智能廚房環(huán)境監(jiān)測探討
時(shí)間:2022-08-13 09:21:48
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摘要:針對廚房環(huán)境極易引發(fā)火災(zāi)事故,現(xiàn)有廚房報(bào)警系統(tǒng)功能單一等問題,設(shè)計(jì)一種智能廚房環(huán)境監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠檢測廚房的溫度,可燃性氣體泄漏和煙霧等環(huán)境參數(shù),使用語音播報(bào)模塊和LED燈光進(jìn)行聲光報(bào)警提醒,同時(shí)使用SIM800C無線模塊以短信的方式將報(bào)警信息發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶.該系統(tǒng)能夠做到及時(shí)報(bào)警通知用戶避免廚房火災(zāi)的發(fā)生,還適用于倉庫、煤礦等環(huán)境,具有較高的應(yīng)用價(jià)值和市場前景.
關(guān)鍵詞:智能家居;SIM800C;嵌入式系統(tǒng);火災(zāi)報(bào)警
隨著社會(huì)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(shí)此類小區(qū)中的用戶年齡一般較大,行動(dòng)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(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)廚房中的火災(zāi)隱患,達(dá)到實(shí)時(shí)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(dòng)時(shí),遠(yuǎn)程報(bào)警自動(dòng)取消,當(dāng)隱患消除后,聲光報(bào)警取消,無需手動(dòng)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(gè)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(shí)檢測廚房溫度,可燃性氣體泄露、煙霧以及人員活動(dòng)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.
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(gè)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220V電源,二是使用9V電池作為后備電源,防止火災(zāi)發(fā)生時(shí),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.
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(hào)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)猓`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(shí)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(dòng)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(gè)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(tǒng)遠(yuǎn)程的通信模塊,同時(shí)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(gè)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(gè)環(huán)境參數(shù)報(bào)警閾值,超過閾值將自動(dòng)發(fā)送短信通知用戶,并及時(shí)通知當(dāng)前傳感器輸出信息.二是實(shí)時(shí)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(dòng)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(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3.3V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(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(tái)設(shè)計(jì),軟件設(shè)計(jì)思路主要是系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí),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(shí)讀取各個(gè)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(hào)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.
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(gè)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(shí),將環(huán)境報(bào)警溫度設(shè)置在20℃以下,此時(shí)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(hào)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(gè)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.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(shí)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.
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作者:邊玉亮 王秀友 余世干 單位:阜陽師范大學(xué)信息工程學(xué)院