基于STM32的遠程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計*

*基金項目：本文系平頂山學院教學改革研究項目（JY19296）的研究成果

作者簡介：趙丹丹，本科，學生，專業(yè)為電子信息工程。

李紅，指導教師，碩士研究生，講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、圖像處理。

教師評語：該系統(tǒng)完成了對廚房安全的檢測和報警，各類傳感器對廚房信息進行采集，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒?，主控芯片對?shù)據(jù)進行處理，一旦超過設(shè)定閾值，驅(qū)動蜂鳴器進行報警，OLED顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示。使用WiFi等技術(shù)作為基礎(chǔ)框架進行整個系統(tǒng)的信息傳輸。后端使用阿里云作為整個軟件信息查看和存儲。該生能夠較好地綜合運用所學的專業(yè)知識闡述和論證問題，較好地達到了綜合訓練目的。

0   引言

21 世紀以來，小區(qū)住宅的廚房都已隨著社會的發(fā)展越來越現(xiàn)代化?，F(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標準。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)廚房火災的發(fā)生影響的不只是一個家庭的生活，還可能會涉及小區(qū)鄰居的安全。因此，家庭廚房安全系統(tǒng)的設(shè)計也需不斷提高^[1-2]。基于此目的，研發(fā)出一套功能更加完整、使用更加便捷、性價比更好的遠程廚房安全系統(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)實現(xiàn)無線傳輸，從而把煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗崟r采集到的廚房煙霧濃度和火焰?zhèn)魉偷?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/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、蜂鳴器進行數(shù)據(jù)的顯示和報警。

1   遠程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)性能目標

系統(tǒng)設(shè)計目標主要是每個家庭廚房內(nèi)的煙霧、火焰等環(huán)境狀態(tài)?，F(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，從而對廚房的安全性也有了更高的期待。其總體設(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）將廚房的遠程控制優(yōu)勢發(fā)揮出來，使用戶可通過阿里云服務(wù)器隨時查看廚房內(nèi)各類電器的相關(guān)參數(shù)。在對整個系統(tǒng)進行設(shè)計之前，不僅要考慮成本的高低，還需要滿足通用性的需求。

2）主控芯片能實現(xiàn)對各類信息的集中控制，保證系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

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

4）為實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，每個傳感器都能與中心系統(tǒng)通信，以便完成信息實時傳輸與采集。

1.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

遠程廚房安全系統(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 個部分組成。各種傳感器主要負責采集各種數(shù)據(jù)傳遞到主控芯片，主控芯片對數(shù)據(jù)進行接收并處理，然后通過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 遠程廚房安全總體框架設(shè)計圖

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，是控制遠程節(jié)點的核心。STM32F103C8T6 性能優(yōu)越，具有低功耗、實時應(yīng)用、性能穩(wěn)定等特點^[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雜性。

遠程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計選STM32F103C8T6 作為主控芯片是因為這款芯片不論是在性價比方面還是功能方面都能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

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?，以煙霧傳感器為例介紹。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）提供可燃氣體存在的數(shù)字表示。MQ-2 上的比較器會判斷引腳2是否達到設(shè)置閾值，一旦超過閾值，引腳3 則會變?yōu)楦唠娖讲Ⅻc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，它能檢測多種氣體并且應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)中主要用來測煙霧濃度，其工作原理是根據(jù)導電率來判斷煙霧濃度大小。一般情況下，幾乎沒有導電率，當煙霧或者CO 氣體混入空氣時，導電率就會有很明顯的變化。此變化就可以用來判斷煙霧信息。該模塊引腳接線圖如圖2 所示：

1.3.3 無線傳輸模塊

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)點更是數(shù)不勝數(shù)，如低功耗、最大的優(yōu)點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 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括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預警，按鍵主要于調(diào)節(jié)煙霧和火焰的設(shè)置閾值，也可進行二者的切換。

1.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

整體程序以主程序為基礎(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)，并進行處理，一旦超過閾值蜂鳴器報警，OLED 顯示更新信息。②子程序流程：對廚房環(huán)境狀態(tài)的信息進行實時采集。

(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)測試

首先給整個系統(tǒng)通電，系統(tǒng)會對各個模塊初始化配置，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。然后測試蜂鳴器是否能正常工作，用打火機測試火焰和煙霧，這兩個傳感器一旦檢測到火焰或煙霧，蜂鳴器發(fā)出報警即為正常工作。然后就是用戶登錄阿里云服務(wù)器遠程實時查看數(shù)據(jù)，各功能若全部正常則測試完成。

經(jīng)過上述測試，對中間調(diào)試所出現(xiàn)的問題及時解決，測試結(jié)果分析如下：整個遠程廚房安全控制系統(tǒng)預期功能基本實現(xiàn)了火災報警、遠程控制等功能，達到了預期目標，完成了本次系統(tǒng)設(shè)計。

3   結(jié)束語

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

參考文獻：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）