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基于STM32的远程厨房安全系统设计*

作者:赵丹丹,李红(平顶山学院信息工程学院,河南 平顶山 467036)时间:2021-12-07来源:电子产品世界收藏
编者按:基于用户日常家庭生活安全的需要,设计了一种可靠、实用的远程厨房安全系统。该系统以STM32单片机为核心处理器,结合烟雾传感器、火焰传感器、OLED显示屏、蜂鸣器等外围设备进行设计,并且采用WiFi模块进行无线传输,把从STM32主控芯片传输过来的数据传送到阿里云服务器,以便用户可通过登录实时查看家庭厨房环境状态。该系统安装方便,适用于家庭厨房等场合。

*基金项目:本文系平顶山学院教学改革研究项目(JY19296)的研究成果

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202112/430150.htm

作者简介:赵丹丹,本科,学生,专业为电子信息工程。

李红,指导教师,硕士研究生,讲师,研究方向为嵌入式系统开发、图像处理。

教师评语:该系统完成了对厨房安全的检测和报警,各类传感器对厨房信息进行采集,采集到的数据传输到主控芯片,主控芯片对数据进行处理,一旦超过设定阈值,驱动蜂鸣器进行报警,OLED显示屏进行数据显示。使用WiFi等技术作为基础框架进行整个系统的信息传输。后端使用阿里云作为整个软件信息查看和存储。该生能够较好地综合运用所学的专业知识阐述和论证问题,较好地达到了综合训练目的。

0   引言

21 世纪以来,小区住宅的厨房都已随着社会的发展越来越现代化。现代化厨房里的智能电器也成为人们家居生活水平的一项标准。因油烟重、电气线路隐患大等原因引起的厨房失火事件屡见不鲜。小区厨房火灾的发生影响的不只是一个家庭的生活,还可能会涉及小区邻居的安全。因此,家庭厨房安全系统的设计也需不断提高[1-2]。基于此目的,研发出一套功能更加完整、使用更加便捷、性价比更好的远程厨房安全系统,最大程度的降低居民损失。

本系统采用STM32F103C8T6 芯片作为核心处理器,搭配WiFi 技术实现无线传输,从而把烟雾传感器和火焰传感器实时采集到的厨房烟雾浓度和火焰传送到。再结合OLED 显示屏、蜂鸣器进行数据的显示和报警。

1   远程厨房安全系统设计

1.1 系统性能目标

系统设计目标主要是每个家庭厨房内的烟雾、火焰等环境状态。现代化信息技术以及物联网技术的发展,人们的生活变得更加舒适,从而对厨房的安全性也有了更高的期待。其总体设计主要体现在以下几个方面。

1)将厨房的优势发挥出来,使用户可通过随时查看厨房内各类电器的相关参数。在对整个系统进行设计之前,不仅要考虑成本的高低,还需要满足通用性的需求。

2)主控芯片能实现对各类信息的集中控制,保证系统运行的可靠性和安全性。

3)所设计的网络通信系统在保障各项功能的同时,提升信息传递速率。

4)为实现对系统的控制,每个传感器都能与中心系统通信,以便完成信息实时传输与采集。

1.2 系统总体框架设计

远程厨房安全系统主要由主控单元、传感器模块、WiFi 通信模块和4 个部分组成。各种传感器主要负责采集各种数据传递到主控芯片,主控芯片对数据进行接收并处理,然后通过WiFi 模块传递到阿里云服务器[3]。总体框架如图1 所示。

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图1 远程厨房安全总体框架设计图

1.3 各子模块介绍

1.3.1 STM32主控模块

本系统用STM32F103C8T6 作为主控芯片,是控制远程节点的核心。STM32F103C8T6 性能优越,具有低功耗、实时应用、性能稳定等特点[4]。配备丰富的外部接口,提供了各种各样的开发需要。本系统通过利用其内部丰富的功能模块,有效为外围电路节省了成本并降低了复杂性。

远程厨房安全系统设计选STM32F103C8T6 作为主控芯片是因为这款芯片不论是在性价比方面还是功能方面都能满足系统的设计要求。

1.3.2 传感器模块

本系统主要用到烟雾传感器和火焰传感器,以烟雾传感器为例介绍。烟雾传感器A0(引脚2)提供与烟气浓度成比例的模拟输出电压,D0(引脚3)提供可燃气体存在的数字表示。MQ-2 上的比较器会判断引脚2是否达到设置阈值,一旦超过阈值,引脚3 则会变为高电平并点亮LED。引脚1 接地,引脚4 接主控芯片3.3 V电压。

本系统用的是MQ-2 传感器,它能检测多种气体并且应用广泛。本系统中主要用来测烟雾浓度,其工作原理是根据导电率来判断烟雾浓度大小。一般情况下,几乎没有导电率,当烟雾或者CO 气体混入空气时,导电率就会有很明显的变化。此变化就可以用来判断烟雾信息。该模块引脚接线图如图2 所示:

1.3.3 无线传输模块

本系统WiFi 通信模块采用ESP8266 芯片,ESP8266转串口芯片非常小巧,这一特性可实现占空最小化。ESP8266 功能几乎全能,可发送\ 接收消息、数据的传输、还可配置多种模式[5]。ESP8266 的优点更是数不胜数,如低功耗、最大的优点是能在省电模式下工作,满足电池和电源设备苛刻的供电要求。

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图2 烟雾传感器模块引脚接线图

WiFi 模块引4 脚低电平有效,引脚6 高电平有效,引脚1 接主控芯片的PA2,引脚8 接主控芯片的PA3。其芯片引脚原理图如图3所示。

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图3 引脚接线图

1.3.4 人机交互模块

人机交互模块主要包括OLED 显示屏、蜂鸣器和按键。其中OLED 可用于显示测量烟雾、火焰的相关参数,蜂鸣器可用于火焰和烟雾浓度的超标预警,按键主要于调节烟雾和火焰的设置阈值,也可进行二者的切换。

1.4 系统程序设计

整体程序以主程序为基础框架,另加传感器、蜂鸣器等子程序。系统主程序和部分子模块程序流程如图4所示。其中,①主程序流程:首先进行系统初始化,接着是持续接收传感器传送的数据,并进行处理,一旦超过阈值蜂鸣器报警,OLED 显示更新信息。②子程序流程:对厨房环境状态的信息进行实时采集。

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(1)主程序流程图

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(2)子模块程序流程图

图4 系统主程序和子模块程序流程图

2   系统测试

首先给整个系统通电,系统会对各个模块初始化配置,电源灯亮表示通电正常。接着看OLED 屏幕显示是否正常,数据是否准确,若显示正常及数据正常,则表示各数据量的显示正常。然后测试蜂鸣器是否能正常工作,用打火机测试火焰和烟雾,这两个传感器一旦检测到火焰或烟雾,蜂鸣器发出报警即为正常工作。然后就是用户登录阿里云服务器远程实时查看数据,各功能若全部正常则测试完成。

经过上述测试,对中间调试所出现的问题及时解决,测试结果分析如下:整个远程厨房安全控制系统预期功能基本实现了火灾报警、等功能,达到了预期目标,完成了本次系统设计。

3   结束语

本文给出了一种基于STM32 的系统远程厨房安全设计系统的结构方案,采用模块化设计,介绍了最小系统、硬件电路和软件流程等关键技术。针对目前人们对于厨房安全预警的需求,开发了通过阿里云服务器,能够及时查看厨房环境状态的远程厨房安全系统,主要通过STM32F103C8T6 单片机、WiFi 通信模块、传感器模块、蜂鸣器报警模块等各个单元保证厨房的安全。用户可远程通过阿里云服务器实时查看火焰、烟雾浓度等各项指标,用技术的便利,实现对厨房是否安全的随时查看。

参考文献:

[1] 谭千盛,基于STM32的远程厨房安全系统设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2019.

[2] 薛东,彭志强.单片机技术下的智能厨房控制系统实现探讨[J].科技创新与应用,2020(8):94-95.

[3] 李得至,邓鹏,唐文涛,等.基于云平台的智能实验室远程监控系统[J].机电工程技术,2021,50(3):132-134.

[4] 赵东升,刘忠富,张笑彤.基于STM32单片机的智能家庭电控系统设计[J].山西电子技术,2021(1):3-5,7.

[5] 徐文,孟文,曾丽.基于STM32与WiFi无线通信技术的远程监控系统设计[J].自动化与仪表,2016,31(11):35-38,56.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年11月期)



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