智能厨房环境监测探讨

摘要:针对厨房环境极易引发火灾事故，现有厨房报警系统功能单一等问题，设计一种智能厨房环境监测与报警系统.该系统能够检测厨房的温度，可燃性气体泄漏和烟雾等环境参数，使用语音播报模块和LED灯光进行声光报警提醒，同时使用SIM800C无线模块以短信的方式将报警信息发送给远程用户.该系统能够做到及时报警通知用户避免厨房火灾的发生，还适用于仓库、煤矿等环境，具有较高的应用价值和市场前景.

关键词:智能家居;SIM800C;嵌入式系统;火灾报警

随着社会经济水平的不断发展以及人们生活水平的日益提高，民众对于居家环境的安全性要求也日益增强.火灾是居家环境安全的最大威胁之一［1，2］，而厨房又是家庭火灾最主要的根源，因而监控厨房火灾隐患可有效减少火灾的发生.厨房火灾往往是由于厨房电器使用不当或可燃气体泄漏等原因引发造成的.特别是对于一些老旧小区，管线设计安装往往不太合理，加之设施老化，安全性一般较低，同时此类小区中的用户年龄一般较大，行动日益不便，而且大多数又与子女分离，因而厨房的安全性对他们来说更是至关重要.以往的厨房报警装置大多功能单一，如仅对可燃气体泄漏进行检测［3－5］，报警形式一般也仅为声音报警，远远不能满足当前人们对厨房安全的要求，很难保证系统运行的有效性［6］.针对此问题，设计了一种智能厨房环境监测与报警系统，该系统使用温度、可燃性气体、烟雾传感器和人体红外传感器等多种传感器实时检测厨房环境，使用语音播报和高亮度LED灯进行声光报警，还通过SIM800C无线模块进行远程报警提醒，还配有LCD液晶屏显示系统状态.系统具有多环境参数检测，报警方式多样等特点，具有较高的实际应用价值和市场前景.

1系统总体方案设计

为了能够及时发现厨房中的火灾隐患，达到实时报警功能，报警系统通过各种传感器进行厨房内部环境参数采集，设置温度报警阈值为45℃，可燃性气体泄漏报警，厨房烟雾浓度报警等.为了避免系统无限制和重复报警，系统还增加了人体红外检测传感器，当检测到人体活动时，远程报警自动取消，当隐患消除后，声光报警取消，无需手动清除，实现报警智能化.该系统使用STC12C5A微控制器作为主控制器，其主要功能是对各个传感器采集到的参数进行分析和处理，根据数据处理结果，控制报警电路进行声光报警，以及和SIM800C模块进行通信实现数据的远程报警提醒.使用MQ－2、MQ－5、DS18B20和HC－SR501等传感器能够实现厨房环境的信息采集［7］，可实时检测厨房温度，可燃性气体泄露、烟雾以及人员活动等数据.本地报警系统使用语音播报和高亮度LED进行声光报警，远程报警系统使用SIM800C无线模块以短信方式进行远程报警提醒.为了能够显示系统当前的工作状态是否正常，还扩展了LCD液晶屏进行工作状态显示，结构框图如下图1所示.

2系统硬件电路设计

2．1主控制器和电源电路设计

STC12C5A60S2微控制器是专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的，该微控制器运行速度比普通51单片机速度快8－12倍.STC12C5A60S2内置2个通用全双工异步串行口，具有功耗低，安全可靠等特点，作为系统控制器片上资源完成能够满足系统要求.主要通过UART1接口与无线模块SIM800C通信和使用UART2与语音播报模块进行通信.电源采用双电源供电方式，一是使用家庭220V电源，二是使用9V电池作为后备电源，防止火灾发生时，家庭电源断电，系统不能工作，保证系统运行的可靠性.主控制器电路和电源电路设计如下图2所示.

2．2各传感器电路接口设计

系统采用的测温传感器型号为DS18B20数字传感器，该传感器具有封装多样，电路结构简单，准确度高等特点，主要应用于各种智能控制设备温度测量领域，传感器采用单总线结构，大大简化了外部硬件电路的连接.系统采用MQ－5型可燃性传感器实现家居环境可燃性气体泄漏检测，该传感器对家用燃气的灵敏度较高，可以检测多种家用燃气，灵敏度高、稳定可靠和使用方法简单.系统采用MQ－2型烟雾传感器实现室内烟雾检测［8］，内部基本工作电路是惠斯通桥式电路，结构简单.传感器具有响应速度快、稳定高等特点，同时还在电路加入了热敏电阻进行温度补偿，进一步消除了环境温度的影响.使用HC－SR501人体红外传感器进行人员检测，该传感器能够实现全自动感应，具有重复触发和不可重复触发两种工作方式模式，可设置光敏控制，温度补偿，工作性能稳定可靠性高.各个传感器与STC12C5A的连接的电路图如下图3所示.

2．3GPRS模块电路

SIM800C模块作为系统远程的通信模块，同时还集成了蓝牙3．0模块.可以实现语音、蓝牙和短信等多种功能.系统采用SIM800C模块实现系统和用户之间进行远程交互的功能.该模块通过UART2接入系统中，系统通过AT指令主要实现以下三个功能，一是系统状态信息短信上报，系统预先设置各个环境参数报警阈值，超过阈值将自动发送短信通知用户，并及时通知当前传感器输出信息.二是实时接收用户短信控制指令，用户可以通过短信指令检测系统当前工作状态是否正常，读取传感器信息，主要用于日常的系统状态检测.三是语音喊话，系统设置自动接听功能，一旦发生危险，可以进行远程喊话.SIM800C模块电路图如下图4所示.

2．4语音播报语音播报模块使用

SX6288A芯片组成的SX－TTS－A模块进行语音合成，该模块通过控制器的UART1接口接入系统中，波特率固定为9600bps.使用控制器的TXD连接模块的T引脚，无需额外电路即可将文本数据转换成语音输出，内部还集成的功放电路，可以直接通过喇叭实现外放.具有3．3V和5V两种电源选择，使用方法简单，合成速度快，体积小等特点，主要应用于车载终端语音播报，机器人人机交互，智能设备等应用领域.

3系统软件设计

系统控制器片上应用程序使用Keil4开发平台设计，软件设计思路主要是系统实时循环采集传感器数据，将人体传感器结果和其他数据进行融合判断处理，分析出存在安全隐患时，使用高亮度LED灯闪烁、语言播报和喇叭以及SIM800C等报警装置进行各种类型的报警操作，隐患消除后能够恢复正常运行状态.程序设计主要内容包括系统片上资源初始化，无线SIM800C模块初始化，实时读取各个传感器输出参数，判断安全隐患，与无线模块SIM800C通信，控制语音播报和高亮度LED灯发出声光信号报警，控制LCD液晶屏输出当前系统状态信息等.系统主程序流程图如下图6所示.

4系统测试及结果

将系统搭建以来，并将软件和硬件进行联合调试后，系统所有模块能够正常工作，各个状态显示正常，全部的硬件实物实际运行效果如下图7所示，其中，使用LCD液晶屏显示当前系统的状态信息和传感器输出.实验时，将环境报警温度设置在20℃以下，此时高亮度LED等闪烁报警，喇叭能够播放“温度过低”报警，SIM800C模块能够根据程序中设备的短信接收号码发出报警短信.通过实际测试结果表明，当厨房的各个设定环境达到系统设定的危险阈值后，系统能够可靠工作运行良好，整体效果符合预期需求，达到了设计目的.5结论针对厨房环境极易引发火灾事故，大多数智能家居厨房报警系统功能单一，控制简单等问题，设计了一种智能厨房环境检测与报警系统.通过实验结果表明，该系统能够实时检测厨房环境中的可燃性气体、烟雾、温度和人员等环境信息，并能够准确的实现声光报警和远程短信报警提醒功能.系统运行可靠，成本低，适用于家居、仓库和煤矿等环境，具有较高的实际应用价值和市场前景.

参考文献:

［1］洪树亮．基于STM32F103住宅智能防火防盗报警系统的设计［D］．兰州:兰州交通大学，2015．

［2］刘蓝．基于无线传感技术的秸秆焚烧火点在线监测系统设计与实现［J］．东北农业大学学报，2020，51(9):89－96．

［3］胡金良，李志成，张翠侠．基于STC89C52单片机和GSM的厨房安全监测系统设计．河北北方学院学报，2018，34(5):12－16．

［4］潘学文，王增荣，陈明武．基于单片机和GSM模块的红外防盗报警系统［J］．湖南科技学院学报，2016，37(10):26－28．

［5］胡静泓．流程工业分布式智能报警管理系统的研究与开发［D］．杭州:浙江大学，2015．

［6］陶玉贵，陈万顺，王勇．基于GPRS和组态王的远程无线通信系统设计［J］．数字技术与应用，2020，38(7):31－33．

［7］王瑞兵．弹药库防盗防火检测系统设计［D］．保定:河北大学，2015．

［8］马沙沙．基于Arduino＆Android的烟雾报警系统［D］．西安:长安大学，2017．

作者：边玉亮 王秀友 余世干 单位：阜阳师范大学信息工程学院