基于NBIOT的厨房安全防护装置设计

唐辉秀，王晴晴，王桥，吴恋，杨娅婷，张兆金，曾家明，俞潼

（贵州师范学院 数学与大数据学院，贵州贵阳，550018）

0 引言

当家庭厨房内存在安全隐患问题时，厨房设备不能及时的发出警报并通知用户，也不能自动处理突发火灾、燃气泄漏等意外状况。针对此种情况，人们需要一种感应灵敏、操作简便、能够及时向用户反馈的家庭厨房智能监控装置，并且能在业主不能及时处理时能通知物业来处理，这样能在灾难发生的最初时间遏制掉。

综上所述，目前的厨房防燃气泄漏安全行业无形的浪费了许多人力、物力、财力，并且会浪费用户的时间，还无法保证用户厨房的安全，目前市面上的一些装置只是在检测到煤气泄漏时、发生火灾时发出警报，当家里无人时或者老人耳力不好时无法及时处理，也不可以自动开窗，关阀门，发信息给物业和业主。因此，我们团队研究了一款非接触、远程检测厨房防燃气泄漏、火灾的安全装置，该装置采用多传感器协同工作，对厨房情况进行实时监控；燃气超标时装置自动关闭燃气总阀并发出报警信号，同时通过短信推送方式将预警信息发送给业主和物业管理单位，三重防护，有效降低燃气安全事故率，保障了家庭厨房的安全，给其家属朋友等带来了更多方便。

1 系统总体结构

本设计基于NBIOT的厨房安全防护装置以STM32单片机为核心控制器，通过DS18B20数字温度传感器模块、MQ-5气体传感器和MQ-2烟雾气体传感器模块对厨房内温度、烟雾一氧化碳、甲烷等浓度进行采集，并传给STM32单片机，单片机对采集到的数据与我们设定的范围值进行对比，若采集到的数据没有超出设定的范围值，DS18B20 数字温度传感器模块、MQ-5气体传感器和MQ-2烟雾气体传感器模块将继续采集，一旦超出范围值就立刻关闭窗户、关闭燃气灶并关闭总阀，配合 lora 无线通信模块和4G模块发送警报消息给业主和物业，与此同时DS18B20 数字温度传感器模块、MQ-5 气体传感器和 MQ-2 烟雾气体传感器模块会继续采集，并随着超出范围值得的增大，给物业和业主发送消息的频率逐级增多，以此为业主和物业声明厨房内环境的严重程度，从而能及时的到达现场，并做出处理，当室内环境得到改变后，跳出循环，DS18B20 数字温度传感器模块、MQ-5 气体传感器和 MQ-2 烟雾气体传感器模块恢复初值继续采集厨房中的温度、烟雾一氧化碳、甲烷等浓度。总体框图如下图1所示。

图1 总体框图

2 硬件设计

■2.1 环境安全检测功能

本设计的环境安全监测功能分为3部分。环境安全检测有DS18B20 数字温度传感器模块、MQ-5 气体传感器和MQ-2 烟雾气体传感器模块。3部分采用集成模块，操作简单，不易损坏，成本低，故障维修难度低。

温度检测部分是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。只要一个端口即可实现通信，测温范围-55℃～+125℃，以0.5℃递增，数字温度计的分辨率可以从9到12位选择，内部有温度上、下限警告设置。利用DS18B20数字温度传感器模块感受厨房温度。厨房煤气泄漏部分采用MQ-5气体传感器，MQ-5气体传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、对乙醇，烟雾几乎不响应、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命和可靠的稳定性、简单的测试电路。利用MQ-5气体传感器检测厨房是否存在煤气泄漏问题。烟雾检测部分采用MQ-2 烟雾气体传感器模块，MQ-2 烟雾气体传感器模块具有信号输出指示、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出)、TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机)、模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性。利用MQ-2烟雾气体传感器模块检测烟雾。

图2为本设计的硬件电路图。

图2 硬件电路图

■2.2 安全防护

检测的数值被传回主控，一旦数值超出正常值核心控制器STM32单片机控制2MG996R舵机来开窗，STM32单片机收到MQ-2烟雾气体传感器模块或MQ-5气体传感器或DS18B20数字温度传感器模块传回控制器的值超过正常值后就执行开窗命令，检测到时煤气泄漏时将煤气总阀关掉。与此同时，STM32单片机控制器通过ESP8266模块作为媒介给整个系统联网，之后给自己做的手机app发送信息给用户，通过lora模块发送信息给物业。这样便完成了一套完整的安全防护。

■2.3 无线通信部分物联网的功能

针对物业处，本设计采用无线通信选用的是lora，本设计选用它是因为它在同种功耗的条件下比其它的无线方式传播的距离更远，满足本装置的低功耗和远距离的同时实现。经过比较它比传统的无线射频通信距离扩大了3～5倍。而且LoRa被商用较早，与其它无线技术比较，LoRa较为成熟，可靠性高，且LoRa信号对建筑的穿透力很强，适用于城市。本设计利用lora的一对多的特点接收整栋楼的消息，实现方式是从模块给主模块发送消息（如图3 所示）。这样物业处就能及时知道哪个业主家厨房发生了危险。

图3 LoRa通信方式

针对业主处，本设计采用的是ESP8266-01s系列。这款芯片使用了3.3V的直流电源，功耗低，体积小，支持透传，丢包现象不严重，价格低。ESP8266还允许用户自己编写ROM，不仅可以实现数据传输功能，还可一自己建立WiFi热点，或者作为WiFi客户端连接到指定的路由器，本设计以ESP8266为媒介将整套装置的消息发送到自己做的手机程序里面，这样业主就可以看到消息了。

3 软件设计

软件部分使用WxBit图形化编程设计一个客户端，客户端设计好直接扫码即可在手机端安装app，客户端可在手机上显示厨房信息。传感器将数据传送给核心控制器STM32，STM32通过WiFi将数据上传至服务器，在客户端也就是通过WxBit图形化编程实现的手机软件，课查看厨房情况，客户端实时更新厨房状态，用户可实时查看室内参数。当厨房发生煤气泄漏时，客户端会显示煤气泄漏、当厨房发生火灾时，当厨房温度过高是，客户端会显示煤气泄漏、厨房有明火、温度过高。同时通过4G模块给业主发送短信。图4为软件设计流程，图5为软件新效果图。

图4 软件设计流程

图5 软件效果图

4 测试

测试结果如表1～表3所示。

表1 当厨房处于安全状态时

表2 厨房煤气泄漏状态检测

表3 厨房火灾危险检测

5 结语

本设计基于NBIOT的厨房安全防护装置是一款高效、操作简单、具有监测燃气浓度、人机交互、监测当前的姿态、能够自动发出燃气火灾的装置。该装置选择了舵机控制，轻便简洁，简单实用，操作上通俗易懂；并且使用多个传感器组合，从而实现具有自动检测燃气火灾及报警的功能。解决了目前市面上传统的火灾报警器普遍存在的一些问题，在保证低价格的同时可以实现在没有人的情况下，实时监测，其能够保障使用者安全的同时，也能给其家属及朋友带来很多方便。