基于物联网的厨房监控系统设计

于存江, 颜成伟, 孙 博

(长春大学 电子信息工程学院, 长春 130022)

0 引 言

物联网技术飞速发展，越来越多的智能家居出现在人们的日常生活中，人们对于智能家居逐渐有了更多的要求，特别是对于厨房的智能化。随着物联网和智能手机的发展，越来越多的人希望能够通过手机对于家庭环境实时监控，加强对居家环境的安全防护。本文以厨房为研究对象，利用现有的物联网技术作为支撑开展研究，利用STC89C21单片机处理器的特点，实现对智能厨房检测控制功能。本系统采用WiFi通信，利用手机移动端实时显示厨房内环境各项数据，如温度、烟雾浓度，同时在厨房内部通过LCD1602显示器实时监测显示环境数据。另外基于GSM网络的彩信功能采用SIM900A，将异常数据通过短信形式发送给用户，以达到报警的作用，可以实现在没有WiFi的情况下，将家庭厨房的突发的异常情况及时发给用户。该系统具有操作简单，价格低廉等优点，还有很大的提升空间和推广空间，便于后续的开发与使用。

1 系统设计方案

本系统要设计一款基于物联网的智能厨房监测系统，该系统应满足的功能是：

(1)实时监测显示厨房内部温度和烟雾浓度；

(2)可以手动设定阈值；

(3)自动报警和降温换气；

(4)手机APP实时显示监测数值；

(5)通过WIFI控制照明灯和换气扇；

(6)短信报警。

基于功能要求，本系统的具体设计包括电源模块、两个单片机最小系统、DS18B20温度传感器、气体传感器、WiFi通信模块、继电器、风扇、蜂鸣器、1602显示器、SIM900A模块。气体传感器我们采用的是MQ-2烟雾浓度传感器模块。系统开始运行，温度与气体浓度传感采集环境数据，发送给单片机1，单片机1处理数据[1]，当温度超过阈值时，温度报警灯点亮，蜂鸣器报警；当烟雾浓度超过阈值时，风扇开启，厨房排风，同时烟雾报警灯点亮，蜂鸣器报警。同时，传感器采集的数据通过通讯模块传输到手机移动端，手机上相应的APP可以随时查看家中厨房环境数值，并能够控制厨房内部分电器，如风扇、电灯的开关等。本系统中的单片机2还搭载SIM900A模块，该单片机2接收检测电路的报警信号，当达到数据阈值时，信号会传送给单片机处理，利用GSM网络，SIM900A模块将报警信息利用短信形式传送给用户手机，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 液晶显示电路设计

液晶显示电路如图2所示，显示器采用5v电源供电方式，共有16个引脚，7～14引脚与单片机P0口相接，LCDEN引脚与RS引脚分别接在单片机P2.4和P2.3引脚上，RW引脚与电阻相连。本系统选用LCD1602液晶显示器用来显示温度及烟雾浓度，1602显示器的基控制器采用HD44780，相比LCD12864显示器，1602显示器具有更小的屏幕，体积更小，更方便。一般情况下LCD1602显示器的工作温度为：0 ℃～+50 ℃，存储温度为-30 ℃～+80 ℃(红蓝矛盾)可以满足绝大多数厨房环境。

2.2 烟雾检测电路设计

本系统选择MQ-2气体传感器作为烟雾传感器，MQ-2气体传感器可检测大部分可燃气体，尤其对一些烷类气体检测较为敏感尤其是甲烷、丙烷液化气、丁烷等气体，并且对于一些可燃气体反应较为灵敏。MQ-2气体传感器特点是：稳定性好、功耗低、响应速度快，驱动简单。该部分的电路设计主要是以ADC0809数模转换器连接为主，将烟雾传感器的IN引脚连接ADC0809模数转换器IN0；将模数转换器D0～D7引脚连接单片机1的P1口；EOC连接单片机1的P3.6引脚；OE连接单片机1的P3.2引脚；CLK引脚连接单片机1的ALE引脚。ADC0809电路如图3所示。

图2 液晶显示电路

图3 ADC0809电路连接图

MQ-2气体传感器的工作原理是：当传感器中的二氧化锡接触到空气中的氧离子时会发生反应，将氧的负离子吸附在半导体表面，气敏半导体的表面的电子密度发生变化，由于电子密度发生变化，半导体自身的阻值也随之发生变化。通过检测半导体材料与气体接触后电导率的变化就可以检测气体的浓度，但该传感器只能够输出模拟信号，需要连接模数转换器将模拟信号转换为数字信号[2]。ADC0809引脚功能，见表1。

表1 ADC0809引脚功能

2.3 温度检测电路设计

DS18B20温度传感器与单片机P2.0口连接[3]，此处将P2.0端口命名为DQ，另外两个引脚一个接5V电压，一个接地，DS18B20电路原理图如图5所示。温度传感器采集温度数据，将数据发送给单片机，单片机经过分析判断温度数据是否达到阈值，如果实时温度已经超过阈值，触发报警情况，此时LED灯亮起，蜂鸣器发声[4]，所采集温度会通过单片机串口，利用WiFi芯片传输给手机移动端，通过移动端APP也可以随时检测厨房内温度。DS18B20电路连接图如图4所示。

图4 DS18B20电路连接图

2.4 WiFi模块电路设计及配置

将WiFi模块正极接单片机1的VCC，RXD和TXD与单片机1的RXD和TXD反接，地极连接在一起。本系统采用无线联网的方式接入手机移动端传输采集数据，该模块支持Wi-Fi协议和TCP/IP协议。USR-C215无线WI-FI模块具有3种工作模式：STA、AP和AP+STA，能够为使用者提供多种选择方式，灵活方便。

配置过程：本系统采用的是USR-215模块的透明传输模式，使用过程中，需要设置基本时钟模式，中断模式参数就可以完成透传模式的设置，即可传输数据。还需要将USR-C215初始化，打开网页进入管理员页面，该界面共有5大功能模块：透传参数选择、WiFi固件升级、系统管理、WiFi系统状态、WiFi参数选择。选择WiFi模块的工作模式，本系统选用的模式为AP模式。

串口中断接收程序如下，接收移动端发送过来的数据进行判断，4为中断级别，先将ES置0，关闭串口中断，当完成接收时再将串口中断开启，当收到数据时RI会被置1，此时需要用软件操作，将其手动置0进行还原。将SBUF值取出装入变量a中进行判断，从而调控风扇转动。WiFi模块电路连接图如图5所示。

图5 WiFi模块电路接图

2.5 SIM900A模块电路设计

本系统将SIM900A模块的5VT接口与单片机2最小系统的P3.0(RXD)相连，5VR引脚与单片机2串行口P3.1(TXD)相连，要求模块与单片机2共地，插入网络运营商SIM卡，模块即可进行正常通信。SIM900A模块的特点是性能稳定、体积较小、价格合理，工作频率可以分为4个档位：850/900/1800/1900MHz，并且能够支持非透传模式。SIM900A模块可以作为TCP/UDP客户端或TCP服务器，满足GSM 2/2+标准，可通过AT命令控制，SIM900A模块采用3.3v的电压供电，支持2G、3G运营商网络，其工作温度在-20℃～+75℃均可适用。

配置过程：SIM900A采用AT指令初始化控制，用户所发送的对方手机号码及信息都需要UNICON编码才能够完成发送。电路连接图如图6所示。

图6 SIM900A模块电路连接图

3 软件设计

3.1 登录模块设计

该部分的软件设计主要是设计APP的登录界面，内容包含系统的名称，LOGO以及两个输入框，一个用来输入相应的IP地址，另一个用来输入端口号，当这两部分输入正确时，会进入软件的主控界面，若输入不正确，则会提示错误，请重新输入字样。登录界面设计流程图如图7所示。

图7 登录界面设计流程图

3.2 照明和风扇控制部分软件设计

该部分的软件设计主要是用来控制照明和风扇的开关，APP发送给单片机一个控制信号的数据，单片机通过wifi的透明传输接收到该数据后控制相应的I/O口来实现对相应部件的控制。照明和风扇软件部分的设计流程如图8所示。

图8 照明风扇软件设计流程图

3.3 温度和气体浓度检测模块设计

设计一个显示界面，实时显示厨房内部温度和气体浓度，还包括用户手动设定阈值的显示，该部分的设计主要是单片机通过wifi的透明传输，将数据发送给手机APP，手机APP可以接收到该数据即可实现显示功能。设计流程图如图9所示。

图9 温度和气体浓度模块设计流程图

4 调 试

首先打开供电开关，温度模块开始采集数据，LCD1602开始显示实时的温度，手动设定阈值，对温度模块加热，模拟温度升高，实验结果是当温度超过设定的阈值时，蜂鸣器开始报警，风扇自动开启；其次用打火机来模拟燃气泄露，用打火机的气体对着烟雾传感器施放，测试结果为当气体浓度超过设定的阈值的时候，蜂鸣器报警，风扇自动开启；当这两个模块采集到的数据都超过设定的阈值的时候，都会通过SIM900A模块产生彩信发送到设定好的手机；打开手机APP连接设定好的WIFI，进入我们的软件界面，控制厨房灯亮/灭，风扇开启/关闭。全部功能满足预设要求。

5 结束语

本系统设计之初是鉴于中国空巢老人越来越多，而老年人身体多行动不便，记忆力差，厨房的安全问题需要更多的关注。目前市场上这种环境监测预警的系统很少，本文设计了这款基于物联网的厨房监控系统，可以实时监测厨房环境因素，比如气体浓度和温度，如煤气泄露或者厨房起火等安全隐患都可以被系统监测并预警。若发生安全隐患，会收到手机短信的提醒，可以将损失降到最低。本系统适合所有家庭用户，特别是空巢老人或者上班族。当然本系统还有很大的拓展空间，下一步重点工作可以放在使用更好的核心处理器，监控更多的家用电器和检测更多的隐患因素，优化APP使其功能更加丰富，界面更加美观简洁，提高GSM模块发送报警信息的实时性等等。