基于STM32的遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：本文系平頂山學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JY19296）的研究成果

作者簡(jiǎn)介：趙丹丹，本科，學(xué)生，專業(yè)為電子信息工程。

李紅，指導(dǎo)教師，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、圖像處理。

教師評(píng)語(yǔ)：該系統(tǒng)完成了對(duì)廚房安全的檢測(cè)和報(bào)警，各類傳感器對(duì)廚房信息進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒?，主控芯片?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一旦超過(guò)設(shè)定閾值，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，OLED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。使用WiFi等技術(shù)作為基礎(chǔ)框架進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的信息傳輸。后端使用阿里云作為整個(gè)軟件信息查看和存儲(chǔ)。該生能夠較好地綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)闡述和論證問(wèn)題，較好地達(dá)到了綜合訓(xùn)練目的。

0   引言

21 世紀(jì)以來(lái)，小區(qū)住宅的廚房都已隨著社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越現(xiàn)代化。現(xiàn)代化廚房里的智能電器也成為人們家居生活水平的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。因油煙重、電氣線路隱患大等原因引起的廚房失火事件屢見不鮮。小區(qū)廚房火災(zāi)的發(fā)生影響的不只是一個(gè)家庭的生活，還可能會(huì)涉及小區(qū)鄰居的安全。因此，家庭廚房安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也需不斷提高^[1-2]?；诖四康模邪l(fā)出一套功能更加完整、使用更加便捷、性價(jià)比更好的遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)，最大程度的降低居民損失。

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 芯片作為核心處理器，搭配WiFi 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，從而把煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)時(shí)采集到的廚房煙霧濃度和火焰?zhèn)魉偷?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/阿里云服務(wù)器">阿里云服務(wù)器。再結(jié)合OLED 顯示屏、蜂鳴器進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。

1   遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)性能目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是每個(gè)家庭廚房?jī)?nèi)的煙霧、火焰等環(huán)境狀態(tài)。現(xiàn)代化信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活變得更加舒適，從而對(duì)廚房的安全性也有了更高的期待。其總體設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）將廚房的遠(yuǎn)程控制優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，使用戶可通過(guò)阿里云服務(wù)器隨時(shí)查看廚房?jī)?nèi)各類電器的相關(guān)參數(shù)。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，不僅要考慮成本的高低，還需要滿足通用性的需求。

2）主控芯片能實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息的集中控制，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

3）所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在保障各項(xiàng)功能的同時(shí)，提升信息傳遞速率。

4）為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，每個(gè)傳感器都能與中心系統(tǒng)通信，以便完成信息實(shí)時(shí)傳輸與采集。

1.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)主要由主控單元、傳感器模塊、WiFi 通信模塊和阿里云服務(wù)器4 個(gè)部分組成。各種傳感器主要負(fù)責(zé)采集各種數(shù)據(jù)傳遞到主控芯片，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并處理，然后通過(guò)WiFi 模塊傳遞到阿里云服務(wù)器^[3]?？傮w框架如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程廚房安全總體框架設(shè)計(jì)圖

1.3 各子模塊介紹

1.3.1 STM32主控模塊

本系統(tǒng)用STM32F103C8T6 作為主控芯片，是控制遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的核心。STM32F103C8T6 性能優(yōu)越，具有低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)^[4]。配備豐富的外部接口，提供了各種各樣的開發(fā)需要。本系統(tǒng)通過(guò)利用其內(nèi)部豐富的功能模塊，有效為外圍電路節(jié)省了成本并降低了復(fù)雜性。

遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)選STM32F103C8T6 作為主控芯片是因?yàn)檫@款芯片不論是在性價(jià)比方面還是功能方面都能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)主要用到煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳎詿熿F傳感器為例介紹。煙霧傳感器A0（引腳2）提供與煙氣濃度成比例的模擬輸出電壓，D0（引腳3）提供可燃?xì)怏w存在的數(shù)字表示。MQ-2 上的比較器會(huì)判斷引腳2是否達(dá)到設(shè)置閾值，一旦超過(guò)閾值，引腳3 則會(huì)變?yōu)楦唠娖讲Ⅻc(diǎn)亮LED。引腳1 接地，引腳4 接主控芯片3.3 V電壓。

本系統(tǒng)用的是MQ-2 傳感器，它能檢測(cè)多種氣體并且應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)中主要用來(lái)測(cè)煙霧濃度，其工作原理是根據(jù)導(dǎo)電率來(lái)判斷煙霧濃度大小。一般情況下，幾乎沒有導(dǎo)電率，當(dāng)煙霧或者CO 氣體混入空氣時(shí)，導(dǎo)電率就會(huì)有很明顯的變化。此變化就可以用來(lái)判斷煙霧信息。該模塊引腳接線圖如圖2 所示：

1.3.3 無(wú)線傳輸模塊

本系統(tǒng)WiFi 通信模塊采用ESP8266 芯片，ESP8266轉(zhuǎn)串口芯片非常小巧，這一特性可實(shí)現(xiàn)占空最小化。ESP8266 功能幾乎全能，可發(fā)送 接收消息、數(shù)據(jù)的傳輸、還可配置多種模式^[5]。ESP8266 的優(yōu)點(diǎn)更是數(shù)不勝數(shù)，如低功耗、最大的優(yōu)點(diǎn)是能在省電模式下工作，滿足電池和電源設(shè)備苛刻的供電要求。

圖2 煙霧傳感器模塊引腳接線圖

WiFi 模塊引4 腳低電平有效，引腳6 高電平有效，引腳1 接主控芯片的PA2，引腳8 接主控芯片的PA3。其芯片引腳原理圖如圖3所示。

圖3 WiFi通信引腳接線圖

1.3.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包括OLED 顯示屏、蜂鳴器和按鍵。其中OLED 可用于顯示測(cè)量煙霧、火焰的相關(guān)參數(shù)，蜂鳴器可用于火焰和煙霧濃度的超標(biāo)預(yù)警，按鍵主要于調(diào)節(jié)煙霧和火焰的設(shè)置閾值，也可進(jìn)行二者的切換。

1.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

整體程序以主程序?yàn)榛A(chǔ)框架，另加傳感器、蜂鳴器等子程序。系統(tǒng)主程序和部分子模塊程序流程如圖4所示。其中，①主程序流程：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著是持續(xù)接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，一旦超過(guò)閾值蜂鳴器報(bào)警，OLED 顯示更新信息。②子程序流程：對(duì)廚房環(huán)境狀態(tài)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

(1)主程序流程圖

(2)子模塊程序流程圖

圖4 系統(tǒng)主程序和子模塊程序流程圖

2   系統(tǒng)測(cè)試

首先給整個(gè)系統(tǒng)通電，系統(tǒng)會(huì)對(duì)各個(gè)模塊初始化配置，電源燈亮表示通電正常。接著看OLED 屏幕顯示是否正常，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，若顯示正常及數(shù)據(jù)正常，則表示各數(shù)據(jù)量的顯示正常。然后測(cè)試蜂鳴器是否能正常工作，用打火機(jī)測(cè)試火焰和煙霧，這兩個(gè)傳感器一旦檢測(cè)到火焰或煙霧，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警即為正常工作。然后就是用戶登錄阿里云服務(wù)器遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，各功能若全部正常則測(cè)試完成。

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試，對(duì)中間調(diào)試所出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)解決，測(cè)試結(jié)果分析如下：整個(gè)遠(yuǎn)程廚房安全控制系統(tǒng)預(yù)期功能基本實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，完成了本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3   結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種基于STM32 的系統(tǒng)遠(yuǎn)程廚房安全設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，采用模塊化設(shè)計(jì)，介紹了最小系統(tǒng)、硬件電路和軟件流程等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)目前人們對(duì)于廚房安全預(yù)警的需求，開發(fā)了通過(guò)阿里云服務(wù)器，能夠及時(shí)查看廚房環(huán)境狀態(tài)的遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)，主要通過(guò)STM32F103C8T6 單片機(jī)、WiFi 通信模塊、傳感器模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊等各個(gè)單元保證廚房的安全。用戶可遠(yuǎn)程通過(guò)阿里云服務(wù)器實(shí)時(shí)查看火焰、煙霧濃度等各項(xiàng)指標(biāo)，用技術(shù)的便利，實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房是否安全的隨時(shí)查看。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）