家庭廚房油煙監控器的設計

摘 要：油煙污染已經成為僅次于工業污染和交通污染后的第三大污染，大量的研究表明，烹飪油煙可損傷肺部功能，引起機體免疫功能下降，其有害物質日積月累地損害著人們的身體健康。隨著生活水平的提高，越來越多的人對室內環境狀況提出了更高的要求。本文在智能住宅項目的建設和研究上提出了基于氣體傳感器對家庭烹飪油煙的實時遠程監控系統的一種方案，較好的解決了家庭烹飪中產生的油煙污染的監測和排放控制。

關鍵詞：油煙監控；TGS2600；Cortex-M3

0 引言

烹飪油煙的化學成分因食物種類、加熱溫度、加工食品等因素的不同而不同，由氣態、液態、固態三相污染物組成。近年來，飲食業油煙污染源已經成為僅次于工業污染源和交通污染源后的第三大污染源。其中氣態的污染物更是危害人體健康的主要因素。大量的研究表明，烹飪油煙可損傷肺部功能，引起機體免疫功能下降，具有吸入毒性、致突變性、致癌性和生殖毒性。志愿者吸入油煙兩分鐘后，會出現嗆咳、胸悶、氣短等癥狀，呼吸阻力增加。小鼠自然吸收油煙氣4個月，支氣管粘膜上皮細胞異性增生，正常支氣管粘膜細胞單復層化生和異性增生的病理移動過程屬癌前病變。

目前市場上對油煙檢測采用的方法有3種：傳統分光光度法、油煙快速檢測-檢氣管法、氣體傳感器的油煙檢測法。

傳統紅外分光光度法具有測量精度高、準確性好的優點，但采樣周期長、分析周期長、儀器成本高，無法實時監測油煙濃度；檢氣管法具有測量過程快速簡便、成本低廉的優點，可以判別出油煙氣的大致濃度，但其為化學分析方法，不能實時監測油煙濃度。

氣體傳感器對油煙檢測具有實時性強的特點，但在使用過程中探測器易被油煙覆蓋而導致使用壽命短，為保護探測頭，傳感器經過金屬濾網過濾之后的油煙與標準油煙有一定的數值差異，在實時性要求較高、非精細檢測濃度的環境中具有一定的應用優勢。

智能住宅中對家庭烹飪油煙的監測要求能夠實現實時遠程監控的特點，氣體傳感器具有實時檢測能力。本文提出了基于氣體傳感器對家庭烹飪油煙的實時遠程監控系統的一種方案，較好的解決了家庭烹飪中產生的油煙污染的監測和排放控制，對智能住宅項目的建設和研究具有積極的意義。

1 系統結構

本油煙監控器從對室內特別是廚房內空氣中的油煙濃度進行實時采集，采集的實時數據被送入微處理器中，系統中內嵌無線網絡接口，可將油煙濃度信息實時送出至集總監控系統。當空氣中的油煙濃度高于設定值時現場根據要求進行聲光警示，在一定時間內油煙濃度無改善的情況下自動啟動換氣裝置，加快室內外空氣流動，強制降低廚房內油煙濃度從而提高室內空氣質量。

2 系統硬件設計

系統的硬件設計框圖如圖1所示，主要可分為微處理器模塊，無線數據傳輸模塊和傳感器數據采集模塊和現場其他外設控制模塊。

2.1 微制器選擇

目前微處理器種類繁多， Cortex-M3內核系列是基于ARMv7架構，Thumb-2指令集結合非對齊數據存儲和原子位處理等特性，輕易8位、16位器件所需的存儲空間就實現了32位性能。LM3S1F16作為使用Cortex-M3為內核的其中一款產品，內含8個具有12位的ADC，2個標準和快速I2C ，3個UARTs ，CPU時鐘達到80MHz，包含單周期384KB的FlashROM和48KB的SRAM，ROM中還包含StellarisWare?。在功耗方面包含了睡眠模式和深度睡眠模式，其目標是包含為工業應用，包括測試、測量設備、家庭和商業監測和控制、運動控制。綜上，選擇LM3S1F16作為本設計中的微控制器。

2.2 油煙氣敏傳感器選擇

本系統中油煙傳感器選用TGS2600，其敏感元件由一個以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個完整的加熱器組成，利用加熱器加熱，以偵測氣體附著于金屬氧化物表面而產生的電阻值的變化，在檢測氣體時，傳感器的傳導率依賴于空氣中氣體濃度的變化，在目標氣體不存在的狀態下，大量附著的空氣中的O2會捕捉電子，而呈現出高阻狀態，若有目標氣體存在，則因為會與氧產生一種燃燒反映，自由電子的量增加，而電阻值則降低，用一個測量電路將該傳導率的變化轉化成對應于氣體濃度變化的輸出信號。

TGS2600器件比較適合于在室溫下長時間通電連續工作，由于采用標準化小型化TO-5封裝芯片，加熱器所需電流僅為42mA，具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性。

圖2所示為TGS2600傳感器基本測量電路，此傳感器要求有兩個電壓輸入加熱器電壓VH和線路電壓Vc，加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個特定的最佳感應溫度，線路電壓Vc用于測量與氣敏元件串聯的負載電阻電壓Vout，此傳感器有極性的，所以線路電壓VH必須是直流。實際應用中可以用一個公共的電源來同時供給VH和Vc以滿足傳感器的電氣需求，合理選擇負載電阻RL使報警門限電壓最優化，并使半導體傳感器功耗小于15mw，當目標氣體存在時，傳感器功耗在RS與RL相等時最大。

2.3 人機交互硬件結構

ZLG7290按鍵數碼管驅動器是廣州周立功單片機發展有限公司針對儀器儀表行業推出的一款驅動芯片，可驅動8位共陰數碼管或64個獨立LED和64個按鍵，內置有連擊計數器，可控掃描位數并且可控任一鍵的連擊次數，提供鍵盤中斷信號，無需外接元件即可直接驅動LED，該芯片抗干擾能力強，在工業測控中被廣泛使用。

聲光警示部分采用高亮閃爍放光極管和長音型喇叭，這樣微控制器就只需要提供一個電平信號而不需要過多的占用微控制器資源就能分別完成聲光警示效果。

2.4 換氣系統

對于室內油煙的調節主要除了及時清除污染源外，通風是較好的改善室內空氣質量的方法。本系統中電機在微控制器的控制下轉動，使室內外空氣交換或室內空氣循環，強制調整室內外空氣平衡，減小室內油煙濃度。

本設計中采用的是交流單相異步電動機，對于電機的驅動采用高低電壓驅動方法，即不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中的電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。本系統中通過光耦隔離方式，發光二極管把輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管，轉換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，保護了MCU的端口。

2.5 射頻芯選擇

CC2520是TI公司為ZigBee低功耗無線應用推出的第2代2.4GHz射頻芯片，具有工作電壓范圍最大、接收靈敏最高、休眠電流小、 封裝尺寸最小等優點，遵循IEEE802.15.4標準。其收發電流相對CC2420較高，但其休眠電流卻遠低于CC2420。監測節點通常為低占空比工作模式，休眠電流對節點的功耗影響更為明顯。在本監測器中選擇CC2520射頻芯片構建無線網絡，完成節點數據的采集并可饋送至監控主機。

3 系統程序設計

本監測器的主要程序設計主要包含了硬件系統的初始化，包括開機后初始化LM3S1F16，系統顯示、警示模塊、無線通信系統和通風系統的自檢，本過程由人工通過按鍵指引和判斷對系統自檢進行確認。系統確認通過后，傳感器基本達到熱平衡，氣體感測系統開始工作。系統先通過氣敏傳感器讀取當前環境的油煙濃度，實時將數據反饋到微控制器，LM3S1F16驅動片內A/D轉換器工作，分別多次讀取傳感器的信息并進行轉換，轉換結果經過軟件進行數據平滑濾波并計算，得出單位時間內的傳感器所主要感應的油煙濃度，檢測數值即時更新至顯示器上并通過無線網絡傳送至集總控制中心進行數據保存和分析。檢測過程中可以使用按鍵或透過集總控制中心隨時根據需要更改報警限值。當所測中出現濃度超過所設限值時，打開本地聲光報警器，并根據濃度同時驅動換氣系統加速室內空氣流動，將油煙氣體排放至室外。系統主要工作流程如圖3所示。

4 小結

室內空氣質量的好壞逐漸被人們所關注，本油煙監控器從人體對室內環境的安全性、舒適性需求，使用傳感器對室內油煙中有害氣體進行檢測，通過機內的通風機使室內外空氣流動，使室內空氣得到凈化。

本儀器具有體積小、使用方便、性能價格比高等優點，使得該裝置在智能住宅中有著很廣闊的應用前景。

參考文獻

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作者簡介

陳曉穎（1984-），女，廣東湛江人，本科，助教，廣州工程技術職業學院，研究方向：電子信息