基于ZigBee的智能厨房研究与设计

吴凯 杜选 陈思炜 肖世东

摘要：快速发展的互联网技术使得人们对舒适生活有了更高的追求，智能厨房系统基于Zigbee无线组网技术，结合传感器技术，物联网技术以及人工智能技术正是由此而生。系统具备人脸识别功能以防止儿童误入厨房造成意外，燃气检测功能以防止燃气泄露，火焰检测功能防止厨房火灾，温湿度检测功能防止食物发霉并且已初步在实验平台取得实现。系统通过移动端的方式实现了随时随地对厨房信息的监控，改善了生活方式，提高了生活质量。

关键词：智能厨房；ZigBee；物联网；人工智能；无线传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）05-0251-03

Research and Design of Intelligent Kitchen based on ZigBee

WU Kai ，DUXuan，CHEN Si-wei，XIAO Shi-dong

（Jiaxing University， Jiaxing 341000， China）

Abstract：The rapid development of Internet technology makes people have a higher pursuit of comfortable life. Intelligent kitchen system is based on Zigbee wireless networking technology， combined with sensor technology， Internet of Things technology and artificial intelligence technology. The system has the function of face recognition to prevent accidents caused by children entering the kitchen by mistake， the function of gas detection to prevent gas leakage， the function of flame detection to prevent kitchen fire， and the function of temperature and humidity detection to prevent food from mildewing. The system realizes the monitoring of kitchen information anytime and anywhere by means of mobile terminal， improves the life style and provides the quality of life.

Key words： intelligent kitchen；zigbee；internet of things；artificial intelligence；wireless sensor

1 引言

隨着物联网建设上升到国家战略层次以及各种相关政策的出台，这一蓝海技术领域渐渐在各行各业崭露头角，智能家居作为国家重点发展和扶持的九大物联网应用之一有着十分广阔的市场，而智慧厨房作为智能家居中重要的一环也有着极大的发展潜力。

传统厨房存在着诸多不可忽视的安全隐患，厨房失火，煤气泄露，儿童误入厨房被厨具餐具意外刺伤等新闻屡见不鲜，除了使用时加倍小心之外几乎没有任何有效的措施来预防并解决这些问题，而由于厨房隐患的隐蔽性，容易为人所忽视，因此此类事件引发的事故也往往是比较严重的。早期智慧家居的诞生依赖于有线组网，但是其复杂的布线，影响了家居的美观性与舒适度，且针对厨房隐患并没有切实有效的解决方案，故规避厨房隐患问题亟待解决。

基于Zigbee组网技术的智能厨房的出现，人们可以随时随地利用手机监控厨房状况以防止发生火灾，煤气泄漏等意外事件，亦可以避免儿童擅入厨房乱动厨具所引发的各种安全隐患，同时其无线特性对家居环境不会产生丝毫美观体验的影响且不需要复杂的布线技术与高昂的成本，不仅改善了家居生活方式，提高了生活质量，更为大家的人身安全提供了保障[1]。

2 需求分析

由于Zigbee网络具有功耗低，节点支持量大等优点[2]，故在智能厨房中，总体设计思路是将各种无线传感器结点通过ZigBee网络连接到Zigbee协调器结点[3]，协调器结点通过串口与智能网关连接，智能网关对数据处理后接入现有的互联网，然后发送到远程智能手机终端，也可以通过智能手机随时随地的遥控监测厨房的情况，如图1所示，其中我们的产品主要功能有如下几点：

1）通过摄像头对人脸的捕捉进行身份的鉴别，当有人进入厨房时，摄像头会自动对人脸进行抓拍并分析该人员是否为用户本人，若是，则开放厨房的使用权限，若不是则拒绝对厨房内相关厨具的操作；同时，通过人脸识别技术对进入厨房人员进行年龄的大致判断，当出现孩童进入厨房时，则拒绝一切厨具操作功能以保障儿童的安全。

2）通过安装在厨房内的燃气浓度传感器对厨房燃气浓度信息进行时的收集与分析，并会将当前浓度信息与系统设置的浓度安全阈值进行比较，若出现燃气浓度超过安全阈值，则会通过警报器发出警报，同时打开风扇进行通风以降低室内的燃气浓度。

3）通过火焰传感器对厨房的火光进行监测，当厨房出现过分明亮的火光时，能够立刻发出警报以提醒用户，以防止火灾的发生。

4）通过湿度传感器对厨房湿度进行时时采集与展示，防止因湿度过大而引起食物发霉变质。

3 总体设计

3.1 系统总体架构

智慧厨房系统从传输过程上分为三部分：无线传感节点、网关和客户端[4]。系统总体框架结构如图所示：

将各种无线传感器结点通过ZigBee网络连接到Zigbee协调器结点，协调器结点通过串口与智能网关[5]连接，智能网关对数据处理后接入现有的互联网，然后发送到远程智能手机终端，也可以通过智能手机随时随地的遥控监测厨房的情况。

3.2 客户端界面设计

如图所示，智能厨房系统主要包括两个主要部分。其中左侧展示的是智能厨房的提示以及本系统所使用的一些主要的傳感器以及一些开关控制。主体部分主要是厨房传感器的分布以及其相应环境下的状态，当某一项检测器置于打开状态时，各个传感器节点进行初始化并处于信息收集状态，一旦检测到超标情况即发出警报以提醒用户可能出现了安全隐患。

3.3 数据结构设计

数据结构设计的目的是为了实现数据调用，数据传输，并且保证一定的精度可以使系统根据参数更加准确的做出判断。具体传感器及其相应的参数如表1所示。

通过以上数据可以知道不同传感器对应的不同参数以及相应的权限，为实现数据的可操作性做好规划。

4详细设计与实现

4.1无线传感器硬件设计

本项目采用如下几种传感器：火焰传感器，温湿度传感器：可燃气体传感器、声光报警传感器、继电器、步进电机传感器。此处以温湿度传感器为例介绍无线传感器的工作原理。

温湿度传感器工作原理为：在传感器基片上覆盖一层感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上后，感湿原件会发生电阻率与电阻值的改变利用这一特性即可测量湿度。而根据不同金属会根据不同的温度产生不同电阻值这一特点，将电阻值作为输出信号即可实现对温度的测量[6]。

4.2无线节点工作流程设计

本系统使用的CC2530 无线节点采用 CC2530 ZigBee 处理器，基于ZStack这一提供基于 OSAL 操作系统的无线自组网功能的协议栈[7]，首先以CC2530为核心的无线通信产品广泛应用于各种工业产品中能够保证一定的稳定性，且CC2530文档全面并能够完美的支持Zstack协议栈如图所示：

4.3移动客户端设计与实现

本系统的移动客户端工程架构如图：

5 结语

本项目是基于ZigBee智慧厨房研究与设计的系统，主要是通过ZigBee网络连接多种传感器至ZigBee协调器结点，经过智能网关对数据处理后接入现有的互联网，后在移动端进行厨房信息的实时监控，通过对火焰传感器，温湿度传感器等无线传感器反馈的数据来判断厨房的实施情况，当发生意外事件时能够利用报警器，风扇等装置来发出警报开窗通风以避免人员伤亡从而提高生活的安全性。

参考文献：

[1] 马晓槟.智能家居，智慧生活[J].电视技术，2014，38（S1）：54-55.

[2] 王曙光.对基于ZigBee技术的智能家居系统设计与实现[J].通信电源技术，2017，34（6）：165-166.

[3] 丁思磊，陈云.基于ZigBee物联网智慧家居系统的设计与实现[J].测绘与空间地理信，2015， 38（09）：99.

[4] 卢晓慧.智能家居网管综合系统的设计与实现[J].科技创新与应用，2015，（18）：1-2.

[5] 唐磊.基于Zigbee的智能家居系统研究与设计[J].电脑知识与技术，2018，14（17）：264-266.

[6] 王浩.基于Zigbee技术和QT平台的温湿度采集控制程序设计[J].软件工程，2018，21（09）：49-50.

[7] 魏玉峰.基于zstack栈的无线网络终端设计[J]. 电子世界，2018，（16）：143-144.

[8] 田华.基于Zigbee的无线智能家居搭建与调试分析[J].微型电脑应用，2018，34（09）：44-46.

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