基于Arduino和OneNET的廚房智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟保尊

摘 ?要：一直以來，廚房在家居環(huán)境中帶來的燃?xì)庑孤┖陀蜔熚廴倦[患都比較大，由此引發(fā)的火災(zāi)問題給人們的人身健康和財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一種基于Arduino和OneNET的廚房智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)有人在廚房做飯時(shí)自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)，保持廚房內(nèi)良好的空氣質(zhì)量;同時(shí)，對(duì)廚房火災(zāi)和有害氣體泄漏進(jìn)行24小時(shí)無人值守監(jiān)測，一旦廚房內(nèi)有害氣體濃度超過程序設(shè)定的閾值，自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行換氣，如果監(jiān)測到火災(zāi)，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提醒。整個(gè)系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)遠(yuǎn)程傳輸，無論用戶在何時(shí)何地，都可以隨時(shí)監(jiān)測廚房中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：Arduino;OneNET;廚房;智能通風(fēng)控制

中圖分類號(hào)：TP212.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0090-03

Abstract： For a long time， the hidden danger of gas leakage and lampblack pollution caused by kitchen in the home environment is relatively large， and the fire problem caused by that has brought great threat to people's health and property safety.In view of the above problems， a kitchen intelligent ventilation control system is designed based on Arduino and OneNET，which can make the ventilation system automatically turned on to maintain good air quality when someone is cooking in the kitchen;At the same time， which can also monitor the kitchen fire and harmful gas leakage unattended for 24 hours， once the concentration of harmful gas in the kitchen exceeds the threshold value set by the program， the ventilation system will be opened automatically for air exchange. And if the fire is detected， the system will give an alarm. The data monitored by sensors in the system is transmitted remotely through the OneNET IOT platform. No matter when and where users are， they can monitor the real-time data in the kitchen through OneNET.

Keywords： Arduino; OneNET; kitchen; Intelligent ventilation control

引言

長期以來，廚房在每個(gè)家庭的家居環(huán)境中都是必不可少的。由于廚房功能的特殊性，通常配備了較多的大功率電器和煤氣、天然氣等管路，由于操作不當(dāng)和線路老化等原因，引起的燃?xì)庑孤⒂秒娖鞫搪菲鸹鸬任：?duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。除此之外，由于中國人的飲食習(xí)慣，煎炒烹炸用油較多，單單依靠抽油煙機(jī)作用有限，廚房中彌漫的油煙嚴(yán)重危害人體的呼吸系統(tǒng)，和現(xiàn)代人們綠色健康的生活理念背道而馳。因此，人們需要一套實(shí)用有效，開發(fā)維護(hù)成本較低的廚房智能通風(fēng)控制系統(tǒng)。

基于以上應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)一種基于Arduino和OneNET的廚房智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)三方面的功能：首先，當(dāng)有人進(jìn)入廚房進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)智能開啟，保持廚房內(nèi)良好的空氣環(huán)境，人離開時(shí)排風(fēng)系統(tǒng)智能關(guān)閉。其次，系統(tǒng)對(duì)廚房內(nèi)的有害氣體進(jìn)行24小時(shí)無人值守監(jiān)測，一旦出現(xiàn)燃?xì)庑孤⒂蜔煼e聚等造成有害氣體超標(biāo)時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)智能開啟，及時(shí)排出室內(nèi)污染性空氣;當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到明火時(shí)，OneNET云用戶端和下位機(jī)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，對(duì)用戶進(jìn)行提示。最后，整套智能系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)云端，用戶無論何時(shí)何地均可實(shí)時(shí)監(jiān)測家中廚房的環(huán)境參數(shù)[1-2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體方案如圖1所示，主控制器采用Arduino UNO，該控制器以AVR單片機(jī)為核心，具有14路數(shù)字I/O口和6路模擬輸入口，性能可以較好滿足本系統(tǒng)開發(fā)需求。作為全球流行的一款硬件開源的控制器，其庫函數(shù)豐富，開發(fā)維護(hù)簡單，成本較低，使得產(chǎn)品在推廣普及上優(yōu)勢明顯。

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)傳感模塊、一個(gè)執(zhí)行模塊和一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊組成。傳感模塊由熱釋電紅外傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鹘M成;執(zhí)行模塊由繼電器、排氣扇和蜂鳴器組成;物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊主要由ESP8266 WI-FI模塊和OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建[3]。熱釋電紅外傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測廚房內(nèi)是否有人員進(jìn)入，一旦監(jiān)測到有人在廚房活動(dòng)時(shí)主控制器發(fā)送指令給繼電器，進(jìn)而打開通風(fēng)扇。煙霧傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測廚房內(nèi)是否有燃?xì)庑孤┮约坝泻怏w堆積，一旦廚房內(nèi)有害氣體濃度超過程序設(shè)定的閾值，則主控制器發(fā)出指令，智能開啟通風(fēng)系統(tǒng)，直到有害氣體濃度降低到設(shè)定值范圍之內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。火焰?zhèn)鞲衅髫?fù)責(zé)監(jiān)測廚房內(nèi)是否有明火，一旦監(jiān)測到火情則下位機(jī)蜂鳴器發(fā)出高頻鳴響警報(bào)，同時(shí)OneNET云用戶端界面的紅色警報(bào)燈進(jìn)行閃爍報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感模塊

熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊，價(jià)格低且靈敏度好。其工作電壓為4.5-20V，靜態(tài)電流<50？滋A，屬于微功耗。同時(shí)和Arduino端口5V輸出電壓匹配，使用非常方便。圖2所示為該熱釋電紅外傳感器的有效感應(yīng)監(jiān)測范圍，經(jīng)實(shí)地測試傳感器靈敏度令人非常滿意。

煙霧傳感器采用MQ-2氣體傳感器模塊，可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的探測，對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣，煙霧有較好的靈敏度，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其工作電壓5V，功耗（電流）150mA，和Arduino UNO主控制器匹配使用非常方便。

火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)質(zhì)為紅外接收三極管，實(shí)物圖如圖3所示，是機(jī)器人專門用來搜尋火源的傳感器，該傳感器對(duì)火焰特別靈敏。其原理是利用紅外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)，輸入到中央處理器，中央處理器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理。

2.2 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由繼電器、排氣扇和蜂鳴器組成。繼電器采用型號(hào)為SRD-05VDC-SL-C的繼電器，其工作原理圖如圖4所示，工作電壓為5V，與Arduino主控板匹配。該型號(hào)繼電器成本較低且性能優(yōu)異，帶光耦隔離，常開接口可接最大負(fù)載為交流250V/10A，完全滿足本系統(tǒng)中強(qiáng)力排風(fēng)扇（額定電壓交流220V，輸入功率82W）的性能要求。蜂鳴器采用有源蜂鳴器，正負(fù)極針腳加上電壓即可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，程序開發(fā)比較方便。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊主要由ESP8266 WIFI模塊和中國移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建。ESP8266模塊是一款超低功耗的串口轉(zhuǎn)WIFI透傳模塊，可以實(shí)現(xiàn)將物理設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)[4]。OneNET是中國移動(dòng)提供的一個(gè)強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，技術(shù)人員在OneNET注冊(cè)之后即可登錄“開發(fā)者中心”進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊的工作流程如圖5所示，首先通過ESP8266 WIFI模塊將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng);其次，將下位機(jī)傳感器實(shí)時(shí)采集的煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)值，采用MQTT協(xié)議實(shí)時(shí)上報(bào)給云端;最后，將數(shù)據(jù)在OneNET平臺(tái)上開發(fā)的應(yīng)用中進(jìn)行顯示和處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)基于Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境。Arduino庫函數(shù)豐富，驅(qū)動(dòng)編寫簡單，可以快速完成產(chǎn)品程序設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期[5-6]。圖6所示為系統(tǒng)軟件功能流程圖。

4 結(jié)束語

針對(duì)廚房在家居環(huán)境中容易帶來的燃?xì)庑孤⒂蜔熚廴竞突馂?zāi)隱患問題，設(shè)計(jì)一種基于Arduino和OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的廚房智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)有人在廚房做飯時(shí)自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)，保持廚房內(nèi)良好的空氣質(zhì)量;同時(shí)，對(duì)廚房火情和有害氣體泄漏進(jìn)行24小時(shí)無人值守監(jiān)測，一旦廚房內(nèi)有害氣體濃度超過程序設(shè)定的閾值，自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行換氣，如果監(jiān)測到火情，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提醒。整個(gè)系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過實(shí)際測試，該系統(tǒng)傳感器靈敏度較高，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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