基于STM32的遠程廚房安全系統設計*

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

作者簡(jiǎn)介：趙丹丹，本科，學(xué)生，專(zhuān)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開(kāi)發(fā)、圖像處理。

教師評語(yǔ)：該系統完成了對廚房安全的檢測和報警，各類(lèi)傳感器對廚房信息進(jìn)行采集，采集到的數據傳輸到主控芯片，主控芯片對數據進(jìn)行處理，一旦超過(guò)設定閾值，驅動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報警，OLED顯示屏進(jìn)行數據顯示。使用WiFi等技術(shù)作為基礎框架進(jìn)行整個(gè)系統的信息傳輸。后端使用阿里云作為整個(gè)軟件信息查看和存儲。該生能夠較好地綜合運用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識闡述和論證問(wèn)題，較好地達到了綜合訓練目的。

0   引言

21 世紀以來(lái)，小區住宅的廚房都已隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展越來(lái)越現代化?，F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(xiàn)路隱患大等原因引起的廚房失火事件屢見(jiàn)不鮮。小區廚房火災的發(fā)生影響的不只是一個(gè)家庭的生活，還可能會(huì )涉及小區鄰居的安全。因此，家庭廚房安全系統的設計也需不斷提高^[1-2]?；诖四康?，研發(fā)出一套功能更加完整、使用更加便捷、性?xún)r(jià)比更好的遠程廚房安全系統，最大程度的降低居民損失。

本系統采用STM32F103C8T6 芯片作為核心處理器，搭配WiFi 技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸，從而把煙霧傳感器和火焰傳感器實(shí)時(shí)采集到的廚房煙霧濃度和火焰傳送到阿里云服務(wù)器。再結合OLED 顯示屏、蜂鳴器進(jìn)行數據的顯示和報警。

1   遠程廚房安全系統設計

1.1 系統性能目標

系統設計目標主要是每個(gè)家庭廚房?jì)鹊臒熿F、火焰等環(huán)境狀態(tài)?，F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。其總體設計主要體現在以下幾個(gè)方面。

1）將廚房的遠程控制優(yōu)勢發(fā)揮出來(lái)，使用戶(hù)可通過(guò)阿里云服務(wù)器隨時(shí)查看廚房?jì)雀黝?lèi)電器的相關(guān)參數。在對整個(gè)系統進(jìn)行設計之前，不僅要考慮成本的高低，還需要滿(mǎn)足通用性的需求。

2）主控芯片能實(shí)現對各類(lèi)信息的集中控制，保證系統運行的可靠性和安全性。

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

4）為實(shí)現對系統的控制，每個(gè)傳感器都能與中心系統通信，以便完成信息實(shí)時(shí)傳輸與采集。

1.2 系統總體框架設計

遠程廚房安全系統主要由主控單元、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。各種傳感器主要負責采集各種數據傳遞到主控芯片，主控芯片對數據進(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 遠程廚房安全總體框架設計圖

1.3 各子模塊介紹

1.3.1 STM32主控模塊

本系統用STM32F103C8T6 作為主控芯片，是控制遠程節點(diǎn)的核心。STM32F103C8T6 性能優(yōu)越，具有低功耗、實(shí)時(shí)應用、性能穩定等特點(diǎn)^[4]。配備豐富的外部接口，提供了各種各樣的開(kāi)發(fā)需要。本系統通過(guò)利用其內部豐富的功能模塊，有效為外圍電路節省了成本并降低了復雜性。

遠程廚房安全系統設計選STM32F103C8T6 作為主控芯片是因為這款芯片不論是在性?xún)r(jià)比方面還是功能方面都能滿(mǎn)足系統的設計要求。

1.3.2 傳感器模塊

本系統主要用到煙霧傳感器和火焰傳感器，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字表示。MQ-2 上的比較器會(huì )判斷引腳2是否達到設置閾值，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。

本系統用的是MQ-2 傳感器，它能檢測多種氣體并且應用廣泛。本系統中主要用來(lái)測煙霧濃度，其工作原理是根據導電率來(lái)判斷煙霧濃度大小。一般情況下，幾乎沒(méi)有導電率，當煙霧或者CO 氣體混入空氣時(shí)，導電率就會(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(xiàn)圖如圖2 所示：

1.3.3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

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

圖2 煙霧傳感器模塊引腳接線(xiàn)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(xiàn)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，蜂鳴器可用于火焰和煙霧濃度的超標預警，按鍵主要于調節煙霧和火焰的設置閾值，也可進(jìn)行二者的切換。

1.4 系統程序設計

整體程序以主程序為基礎框架，另加傳感器、蜂鳴器等子程序。系統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)行系統初始化，接著(zhù)是持續接收傳感器傳送的數據，并進(jìn)行處理，一旦超過(guò)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(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 系統主程序和子模塊程序流程圖

2   系統測試

首先給整個(gè)系統通電，系統會(huì )對各個(gè)模塊初始化配置，電源燈亮表示通電正常。接著(zhù)看OLED 屏幕顯示是否正常，數據是否準確，若顯示正常及數據正常，則表示各數據量的顯示正常。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(gè)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(hù)登錄阿里云服務(wù)器遠程實(shí)時(shí)查看數據，各功能若全部正常則測試完成。

經(jīng)過(guò)上述測試，對中間調試所出現的問(wèn)題及時(shí)解決，測試結果分析如下：整個(gè)遠程廚房安全控制系統預期功能基本實(shí)現了火災報警、遠程控制等功能，達到了預期目標，完成了本次系統設計。

3   結束語(yǔ)

本文給出了一種基于STM32 的系統遠程廚房安全設計系統的結構方案，采用模塊化設計，介紹了最小系統、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(kāi)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)的遠程廚房安全系統，主要通過(guò)STM32F103C8T6 單片機、WiFi 通信模塊、傳感器模塊、蜂鳴器報警模塊等各個(gè)單元保證廚房的安全。用戶(hù)可遠程通過(guò)阿里云服務(wù)器實(shí)時(shí)查看火焰、煙霧濃度等各項指標，用技術(shù)的便利，實(shí)現對廚房是否安全的隨時(shí)查看。

參考文獻：

[1] 譚千盛,基于STM32的遠程廚房安全系統設計與實(shí)現[D].西安:西安電子科技大學(xué),2019.

[2] 薛東,彭志強.單片機技術(shù)下的智能廚房控制系統實(shí)現探討[J].科技創(chuàng )新與應用,2020(8):94-95.

[3] 李得至,鄧鵬,唐文濤,等.基于云平臺的智能實(shí)驗室遠程監控系統[J].機電工程技術(shù),2021,50(3):132-134.

[4] 趙東升,劉忠富,張笑彤.基于STM32單片機的智能家庭電控系統設計[J].山西電子技術(shù),2021(1):3-5,7.

[5] 徐文,孟文,曾麗.基于STM32與WiFi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的遠程監控系統設計[J].自動(dòng)化與儀表,2016,31(11):35-38,56.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）