家庭廚房油煙監(jiān)控器的設(shè)計(jì)

摘 要：油煙污染已經(jīng)成為僅次于工業(yè)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(jī)體免疫功能下降，其有害物質(zhì)日積月累地?fù)p害著人們的身體健康。隨著生活水平的提高，越來(lái)越多的人對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀況提出了更高的要求。本文在智能住宅項(xiàng)目的建設(shè)和研究上提出了基于氣體傳感器對(duì)家庭烹飪油煙的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一種方案，較好的解決了家庭烹飪中產(chǎn)生的油煙污染的監(jiān)測(cè)和排放控制。

關(guān)鍵詞：油煙監(jiān)控；TGS2600；Cortex-M3

0 引言

烹飪油煙的化學(xué)成分因食物種類(lèi)、加熱溫度、加工食品等因素的不同而不同，由氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三相污染物組成。近年來(lái)，飲食業(yè)油煙污染源已經(jīng)成為僅次于工業(yè)污染源和交通污染源后的第三大污染源。其中氣態(tài)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(jī)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(huì)出現(xiàn)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(gè)月，支氣管粘膜上皮細(xì)胞異性增生，正常支氣管粘膜細(xì)胞單復(fù)層化生和異性增生的病理移動(dòng)過(guò)程屬癌前病變。

目前市場(chǎng)上對(duì)油煙檢測(cè)采用的方法有3種：傳統(tǒng)分光光度法、油煙快速檢測(cè)-檢氣管法、氣體傳感器的油煙檢測(cè)法。

傳統(tǒng)紅外分光光度法具有測(cè)量精度高、準(zhǔn)確性好的優(yōu)點(diǎn)，但采樣周期長(zhǎng)、分析周期長(zhǎng)、儀器成本高，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油煙濃度；檢氣管法具有測(cè)量過(guò)程快速簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，可以判別出油煙氣的大致濃度，但其為化學(xué)分析方法，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油煙濃度。

氣體傳感器對(duì)油煙檢測(cè)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但在使用過(guò)程中探測(cè)器易被油煙覆蓋而導(dǎo)致使用壽命短，為保護(hù)探測(cè)頭，傳感器經(jīng)過(guò)金屬濾網(wǎng)過(guò)濾之后的油煙與標(biāo)準(zhǔn)油煙有一定的數(shù)值差異，在實(shí)時(shí)性要求較高、非精細(xì)檢測(cè)濃度的環(huán)境中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

智能住宅中對(duì)家庭烹飪油煙的監(jiān)測(cè)要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn)，氣體傳感器具有實(shí)時(shí)檢測(cè)能力。本文提出了基于氣體傳感器對(duì)家庭烹飪油煙的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一種方案，較好的解決了家庭烹飪中產(chǎn)生的油煙污染的監(jiān)測(cè)和排放控制，對(duì)智能住宅項(xiàng)目的建設(shè)和研究具有積極的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本油煙監(jiān)控器從對(duì)室內(nèi)特別是廚房?jī)?nèi)空氣中的油煙濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被送入微處理器中，系統(tǒng)中內(nèi)嵌無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口，可將油煙濃度信息實(shí)時(shí)送出至集總監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)空氣中的油煙濃度高于設(shè)定值時(shí)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)要求進(jìn)行聲光警示，在一定時(shí)間內(nèi)油煙濃度無(wú)改善的情況下自動(dòng)啟動(dòng)換氣裝置，加快室內(nèi)外空氣流動(dòng)，強(qiáng)制降低廚房?jī)?nèi)油煙濃度從而提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要可分為微處理器模塊，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和現(xiàn)場(chǎng)其他外設(shè)控制模塊。

2.1 微制器選擇

目前微處理器種類(lèi)繁多， Cortex-M3內(nèi)核系列是基于ARMv7架構(gòu)，Thumb-2指令集結(jié)合非對(duì)齊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和原子位處理等特性，輕易8位、16位器件所需的存儲(chǔ)空間就實(shí)現(xiàn)了32位性能。LM3S1F16作為使用Cortex-M3為內(nèi)核的其中一款產(chǎn)品，內(nèi)含8個(gè)具有12位的ADC，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和快速I(mǎi)2C ，3個(gè)UARTs ，CPU時(shí)鐘達(dá)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(biāo)是包含為工業(yè)應(yīng)用，包括測(cè)試、測(cè)量設(shè)備、家庭和商業(yè)監(jiān)測(cè)和控制、運(yùn)動(dòng)控制。綜上，選擇LM3S1F16作為本設(shè)計(jì)中的微控制器。

2.2 油煙氣敏傳感器選擇

本系統(tǒng)中油煙傳感器選用TGS2600，其敏感元件由一個(gè)以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個(gè)完整的加熱器組成，利用加熱器加熱，以偵測(cè)氣體附著于金屬氧化物表面而產(chǎn)生的電阻值的變化，在檢測(cè)氣體時(shí)，傳感器的傳導(dǎo)率依賴于空氣中氣體濃度的變化，在目標(biāo)氣體不存在的狀態(tài)下，大量附著的空氣中的O2會(huì)捕捉電子，而呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，若有目標(biāo)氣體存在，則因?yàn)闀?huì)與氧產(chǎn)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(gè)測(cè)量電路將該傳導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)于氣體濃度變化的輸出信號(hào)。

TGS2600器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作，由于采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特性。

圖2所示為T(mén)GS2600傳感器基本測(cè)量電路，此傳感器要求有兩個(gè)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(gè)特定的最佳感應(yīng)溫度，線路電壓Vc用于測(cè)量與氣敏元件串聯(lián)的負(fù)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(shí)際應(yīng)用中可以用一個(gè)公共的電源來(lái)同時(shí)供給VH和Vc以滿足傳感器的電氣需求，合理選擇負(fù)載電阻RL使報(bào)警門(mén)限電壓最優(yōu)化，并使半導(dǎo)體傳感器功耗小于15mw，當(dāng)目標(biāo)氣體存在時(shí)，傳感器功耗在RS與RL相等時(shí)最大。

2.3 人機(jī)交互硬件結(jié)構(gòu)

ZLG7290按鍵數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司針對(duì)儀器儀表行業(yè)推出的一款驅(qū)動(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64個(gè)獨(dú)立LED和64個(gè)按鍵，內(nèi)置有連擊計(jì)數(shù)器，可控掃描位數(shù)并且可控任一鍵的連擊次數(shù)，提供鍵盤(pán)中斷信號(hào)，無(wú)需外接元件即可直接驅(qū)動(dòng)LED，該芯片抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)測(cè)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(zhǎng)音型喇叭，這樣微控制器就只需要提供一個(gè)電平信號(hào)而不需要過(guò)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(tǒng)

對(duì)于室內(nèi)油煙的調(diào)節(jié)主要除了及時(shí)清除污染源外，通風(fēng)是較好的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法。本系統(tǒng)中電機(jī)在微控制器的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，使室內(nèi)外空氣交換或室內(nèi)空氣循環(huán)，強(qiáng)制調(diào)整室內(nèi)外空氣平衡，減小室內(nèi)油煙濃度。

本設(shè)計(jì)中采用的是交流單相異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用高低電壓驅(qū)動(dòng)方法，即不論電動(dòng)機(jī)工作的頻率如何，在繞組通電的開(kāi)始用高壓供電，使繞組中的電流迅速上升，而后用低壓來(lái)維持繞組中的電流。本系統(tǒng)中通過(guò)光耦隔離方式，發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳給光敏管，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，由于沒(méi)有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號(hào)，保護(hù)了MCU的端口。

2.5 射頻芯選擇

CC2520是TI公司為ZigBee低功耗無(wú)線應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。其收發(fā)電流相對(duì)CC2420較高，但其休眠電流卻遠(yuǎn)低于CC2420。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通常為低占空比工作模式，休眠電流對(duì)節(jié)點(diǎn)的功耗影響更為明顯。在本監(jiān)測(cè)器中選擇CC2520射頻芯片構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集并可饋送至監(jiān)控主機(jī)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)器的主要程序設(shè)計(jì)主要包含了硬件系統(tǒng)的初始化，包括開(kāi)機(jī)后初始化LM3S1F16，系統(tǒng)顯示、警示模塊、無(wú)線通信系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的自檢，本過(guò)程由人工通過(guò)按鍵指引和判斷對(duì)系統(tǒng)自檢進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)確認(rèn)通過(guò)后，傳感器基本達(dá)到熱平衡，氣體感測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。系統(tǒng)先通過(guò)氣敏傳感器讀取當(dāng)前環(huán)境的油煙濃度，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到微控制器，LM3S1F16驅(qū)動(dòng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器工作，分別多次讀取傳感器的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑濾波并計(jì)算，得出單位時(shí)間內(nèi)的傳感器所主要感應(yīng)的油煙濃度，檢測(cè)數(shù)值即時(shí)更新至顯示器上并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至集總控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析。檢測(cè)過(guò)程中可以使用按鍵或透過(guò)集總控制中心隨時(shí)根據(jù)需要更改報(bào)警限值。當(dāng)所測(cè)中出現(xiàn)濃度超過(guò)所設(shè)限值時(shí)，打開(kāi)本地聲光報(bào)警器，并根據(jù)濃度同時(shí)驅(qū)動(dòng)換氣系統(tǒng)加速室內(nèi)空氣流動(dòng)，將油煙氣體排放至室外。系統(tǒng)主要工作流程如圖3所示。

4 小結(jié)

室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞逐漸被人們所關(guān)注，本油煙監(jiān)控器從人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的安全性、舒適性需求，使用傳感器對(duì)室內(nèi)油煙中有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)機(jī)內(nèi)的通風(fēng)機(jī)使室內(nèi)外空氣流動(dòng)，使室內(nèi)空氣得到凈化。

本儀器具有體積小、使用方便、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，使得該裝置在智能住宅中有著很廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介

陳曉穎（1984-），女，廣東湛江人，本科，助教，廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向：電子信息