【基于Zigbee的智能厨房系统设计7000字（论文）】

I基于Zigbee的智能厨房系统设计目录设计概况 1第1章绪论 21.1研究背景 21.2国内外研究现状 21.3智能厨房系统的功能设计 2第2章智能厨房系统模块选择 42.1MQ-2可燃气体传感器模块的选择 42.2主控芯片的选择 4第3章系统整体框架结构 53.1智能厨房系统实现的功能 53.2整体系统设计方案 5第4章硬件系统设计 64.1硬件整体设计 64.2传感器模块设计 64.3Zigbee模块设计 10第5章软件系统设计 125.1软件系统流程设计 125.2传感器检测模块设计 135.3Zigbee组网设计 13第6章系统调试 15结论 18参考文献 19设计概况近些年，厨房开始向着智能化方向发展迈进，逐渐地改善着人们的生活质量，也致力于满足人们多种多样的需求。在这一情况下，智能化厨房系统设计受到了国内外的关注。而且厨房生活作为活着的一个重要的组成部分，偶尔会出现一点的安全事故，其中火灾与煤气泄漏事故占比较大，一旦出现就严重有害每个家庭的安全，因此，采用厨房环境的监测和实时控制以降低此风险是十分必要的。本文结合了Zigbee技术、CC2530开发板、传感技术等核心技术，设计了一种基于Zigbee传输采集厨房内部温湿度和可燃气体浓度数据，并进行监测和检查是否超过阈值，若超过阈值发给用户手机报警并采取相应行动的提高厨房安全性能的智能厨房系统。构建了一个网络集成、信息化的智能厨房系统，致力于提高广大用户的生活质量，以实现更加安全、舒适的现代化厨房环境。关键词：智能厨房；温湿度监测；物联网；可燃气体监测第1章绪论1.1研究背景随着新信息时代的发展，计算机网络技术的开拓与运用进入了新阶段，广泛运用到人民的日常生活和工作中。计算机高端技术以极快的速度突破，人们对生活素质的需要逐渐变得愈来愈多元化，在这种时代，智能家居应运而生，并且在最近几年发展迅猛，加上互联网信息技术的助力，现代信息化技术以及物联网技术等的发展，使得智能厨房成为一种趋势[1]。厨房作为日常家居的一个重要组成部分，环境比较复杂且多样化，因此安全事故时有发生，其中火灾事故与煤气泄漏事故占安全事故的比例较大，严重威胁每个家庭的安全[2]，而广大用户对安全的需求，促进厨房环境监测、智能化的厨房控制等概念的诞生[3]。并且针对厨房隐患并没有实效的解决方案，故厨房隐患问题尚待解决[4]。1.2国内外研究现状国外有关智能厨房的研究兴起比较早，而且现在已经大体上相对比较完善，针对包括厨房布局分配、用户可行性操作流程，智能厨房功能化分区，厨房相关环境监测调控等都有了比较细致的研究[7]。国内由于科技水平，民众意识低下等因素，对于厨房智能化的研究开始着手时间较晚，直到二十多年前，厨房智能化模式才开始在我国部分地区兴起，也只是引进西方国家的智能厨房设计模式[7]，没有意识到我国与西方国家饮食文化与常用烹饪方法的差异。因此，关于智能厨房的研究也越来越多样和深入。1.2.1国内研究现状我国对于智能厨房的研究主要是对于新的信息技术如何运用在智能厨房系统设计上以及智能厨房本质的探讨[7]。例如单振宇等人通过对厨房智能家居产品的设计，运用自动检测（温湿度、食品新鲜度）技术，自动感应（油烟劝导）技术以及智能调控设置，保证老年人在厨房中的安闲体验[6]。覃园芳等人利用单片机、无线控制等技术设计出一种新型报警系统，它通过传感器网络实现对厨房里煤气漏气、煤气灶大火持续时间实时监测等功能，通过数据分析判断是否发生火灾或燃气泄漏，然后做出如关闭煤气阀门之类相应的动作从而保证厨房安全[15]。1.3智能厨房系统的功能设计本文设计了一种基于物联网的厨房系统，厨房内部含温湿度传感器，可燃气体传感器，窗户上设电磁锁，厨房内设风扇，厨房入口处设主控台，整个厨房内部设置有物联网控制结构，包括控制芯片、温湿度传感器、可燃气体传感器、无线发射器和报警器，用Zigbee作为网络中信息交互方式。本系统工作方式为：可燃气体传感器监测厨房内可燃气体浓度、温湿度传感器监测温湿度等数并将数传达到控芯片，控芯片通过无线传送端与终端信号器连接，报警器与控芯片连接。然后利用Zigbee传输，将数据在屏幕上进行展示，通过处理器与设定的阈值进行数据比对，然后下发控制指令，执行打开风扇或窗锁（继电器）等动作:当温湿度超过用户设定的阈值时，打开风扇，当可燃气体浓度超过用户设定的阈值时，打开风扇和窗锁（继电器）。最终实现对厨房内温湿度、可燃气体浓度等数据的无线传送等。第2章智能厨房系统模块选择本设计的智能厨房系统由一系列软硬件模块构成，主要包括温湿度传感器模块、可燃气体传感器、主控芯片模块、显示模块等，以下为部分模块选择理由。2.1MQ-2可燃气体传感器模块的选择当MQ-2可燃气体传感器所处环境中依存如甲烷、天然气等家庭常见易燃气体时，传感器的阻抗因易燃气体浓度的加高而变大。用电路板把内部阻抗的量变转化为与易燃气体浓度相映射的输出信号的质变。MQ-2可燃气体传感器可探测多种易燃性气体，是一款适用多种APP的成本小的传感器。综合系统功能需求和成本等因素的考虑，本系统选择MQ-2可燃气体传感器。2.2主控芯片的选择CC2530是现代市场销售最好的Zigbee芯片之一，其中Zigbee网处理器将Zigbee定的网协议栈，处理成了用户可以舒适使用的接口命令，用户只要使用适合的控芯片，就可以实现对适合用户自身需求的Zigbee网络的控制。该芯片具有低功耗、高性能、接收灵敏、抗干扰性强等特点，是一款优秀的8051芯片[12]，因此处理器芯片采用CC2530芯片作为硬件开发平台是很好的选择。经过对厨房环境监测系统进行用户需求向和可行度分析，结合成本等一系列因素进行考虑，本文选择CC2530作为主控芯片。第3章系统整体框架结构3.1智能厨房系统实现的功能以物联网技术为支撑，厨房监测系统可以对厨房进行全天候实时监测，在厨房内，它可以对厨房内部温湿度和可燃气体浓度等各项数据进行实时监测、超出阈值自动报警，同时把数据上传到显示屏幕,并实现随时用手机查看相关信息，同时采取如打开风扇等相关补救措施[7]。3.2整体系统设计方案本设计是一个智能厨房监测系统，本系统需要实现对厨房环境数的采集和传输处理并发送报警信号给手机并采取调节措施等功能。本系统整体设计由四个层面组成，包含数据采集层、信息传输层、网络链路层和应用层四部分，另外还有一个警报模块。数据采集层由若干个温湿度和可燃气体传感器组成，负责检测厨房的各类环境参数；传输层主要负责进行数据传输，首先本系统要实现对温湿度传感器DHT11、可燃气体传感器MQ-4的信息进行采集，完成后再把这些收集到的信息发送给云端服务器，当数据高于警报阈值时，发送信号给警报模块，进行打开风扇等相关措施；网络链路层的基本功能是将从传输层传输过来的温湿度、可燃气体浓度等数信息存储在网络中，然后按时发送到硬件系统的显示屏幕上供用户查看数，同时允许应用层设备进行数访问；应用层的主要功能是可以让用户全天都可以随时查看这些数信息，在收到报警信号时让用户及时进行调整处理。智能厨房系统的总体系统框图如图3-1所示：图3-1系统总体框图第4章硬件系统设计4.1硬件整体设计本系统的硬件系统有很多个模块，其中，传感器模块基本负责搜集各种类型全部传感器上的各种数信息、无线通信模块基本负责利用WIFI进行系统和云平台以及用户手机上的远程网络化通信；显示模块基本负责对厨房内部环境的各项传感器传递的数进行数据更新和表示；微控制器模块是当传感器收集的数据超过设定阈值时自动给用户手机发送报警信号并且采取补救措施[8]；Zigbee模块负责将各终端节点和协调器正确组网，同时对各类传感器数据进行传输、判定。其中整个系统的硬件框图如图4-1所示：图4-1系统硬件框图4.2传感器模块设计4.2.1各类传感器模块设计（1）DHT11温湿度传感器DHT11温湿度传感器，主要负责检测厨房的温湿度。它输出数字信号，相较于模拟信号输出更稳定，数据变动性比较差，深受人们的信任[11]。同时，DHT11采集的温湿度数据相对精度比其他同成本的较高且抗干扰能力较强，可以较为精确而的监测厨房内部的温湿度，且DHT11传感器功耗成本较低，其电路图如图4-2所示：图4-2DHT11电路图DHT11进行数据通信的流程如图4-3所示：接入电路以后，DHT11温湿度传感器收集数据，然后将数据发送到主控芯片（CC2530单片机）中，单片机接收数据以后，对数据进行一系列分析处理，然后发送旨意将DHT11温湿度传感器采到的数清空，然后DHT11温湿度传感器继续收取新的环境温度数据。图4-3DHT11数据通信流程图在本系统中，CC2530单片机收集温湿度数据完成后，单片机再根据提前设定好的温湿度阈值预设值，判断温湿度是否超过预设值，超过则发送信号到手机上报警并采取打开风扇等相应措施。（2）可燃气体传感器近些年，可燃气体传感器应用变得更加广泛。并且通过无线连接可以使可燃气体传感器实现附加功能，使其更安全和方便。可燃气体传感器的基本工作原理是：非采集到一丝可燃气体时，传感器元件内部都不会发生质变，此时整个电路板没有输出；而当采到一定浓度可燃气体存在于环境空间时，由于元件发生质变，电路板出现输出量，然后根据命令代码的指引将输出量发送到协调器中。本设计选用的可燃气体传感器是MQ-2气体传感器，若厨房环境中可燃气体浓度高以至于可被传感器检测到的高浓度，就会有数据输送到协调器中。本系统选择MQ-2传感器，目的在于实现对厨房环境内部中可燃气体浓度进行采集和数的精准测量，且MQ-2价格相对较低，具有较高的实用性。电路原理图如下图4-4图4-4MQ-2电路原理图（3）按键电路本设计基本设计了4个各自独立的微型按键，每个按键分别和控芯片对应接口相连接，具体电路如下图4-5。其中温度预先值表示为S2，S4表示恢复初值，S3、S5分别表示的是可燃气体浓度预先值与恢复初值[1]。图4-5按键电路图4.2.2显示模块设计在本文设计系统中，要用串口屏表示这所有种类和数量传感器检测到的数据。在串口屏的尺寸公选上，本设计选用了1.3寸也是最小型号的串口屏。由于完全可以观察厨房环境的环境变化，并且价格也比较便宜，符合厨房监测系统的实际需求[14]。OLED屏幕IIC接口原理图如下图4-6图4-6OLED屏幕IIC接口原理图4.2.3通信模块设计通信模块处于协调器与服务器之间，通过构建适用的网络来将数据传输给协调器，同时接收从服务器发来的的控制指令，是Zigbee网络与服务器交换信息和数据的媒介。本设计选用带有WIFI功能的Esp8266元件。ESP8266通过专用的AT指令进行控制。其中，ESP8266的外观如图4-7：图4-7WIFI模块实物图本文所选用的WIFI模块电路图如图4-8所示：图4-8WIFI模块电路图控芯片通过串口发送端向Esp8266发送连接数据指令，进行本系统WIFI模块方面的设置并建立好数据连接，当接受到正确的指令并成功正确执行后，通过串口向主控芯片发送一个回执参数，以此来保证准确传输数据。4.3Zigbee模块设计4.3.1Zigbee本设计构造传感器和协调器网络的核心模块是Zigbee模块，利用Zigbee进行数据采集层和信息传输层组合的网络内数的传达，各终端节点将采集的厨房内的数用Zigbee输给协调器，用协调器进行对数和阈值的高低的评判并向上层发送数据，若数据高，则协调器将判断结果传给终端节点控制风扇或继电器。根据如下几点优点本文选用Zigbee作为终端节点和协调器之间的无线通信方式：①.覆盖范围适中：Zigbee协议各节点间交换信息距离约在在百米以内，在提升协调器的发射功率或者使用高增益天线，可以将通信距离提升到一千米到三千米[9]。一般情况下厨房的面积不会过大也不会过小，因此用Zigbee作为无线通信方式是很好的选择。②.响应时延小：Zigbee的通信时延很小，一般来说，使用者从待机转接到通信状态与其他同类产品相比时间更短，只需要不到六毫秒，缩短了约十毫秒，而从网络终端连接网络只要不到三分之一秒，与其他同类产品相比缩短了不止五毫秒，从这方面来看也是降低了能量的损耗。与市场上的常用产品比较，如蓝牙通信时延至少需要三秒，Wi-Fi通信时延至少在三到四秒之间[9]。本设计致力于监测厨房安全并做出相应补救措施，因此需要协调器和终端节点之间及时响应，所以应选用Zigbee作为通信媒介。4.3.2cc2530Zigbee是一种新型的低功耗的局域网协议，在其设计的过程中尤其在物理层方面采用了IEEE802.15.4协议标准。有利于Zigbee网络更好地实现点对点等多种方式的组网通信，且该芯片能满足本系统低成本、低功耗的要求。CC2530主板协调器电路原理图如图4-9图4-9CC2530主板协调器电路原理图第5章软件系统设计智能厨房系统分为三部分，一是对传感器检测到的各种环境参数进行收集，二是对监测系统数据所得的查看与显示[14]，另一部分是对预警信号进行反应和补救，传感器检测模块主要负责采集温湿度、可燃气体浓度等一系列数据。5.1软件系统流程设计系统流程图如图5-1所示，上电后先进行ADC初始化，通过DHT11、MQ-2对环境温湿度和气体浓度进行获取，之后在显示屏上进行显示[12]。将获取到的数据和用户所设阈值进行比较，当温湿度或可燃气体浓度超过阈值时发送信号状态到手机进行报警，同时打开风扇或窗锁（继电器），对厨房内部环境进行及时调控，维持厨房环境的安全。图5-1软件系统流程图5.2传感器检测模块设计5.2.1传感器模块设计传感器监测工作过程如图5-2所示，每个传感器采集到的数据放入一个固定的缓存区内，传感器采集数据信息，然后将获取到的数据信息进行读取和检错，若数据检验出错则丢弃当前数据再重新采集数据，将正确数据进行存储和分析，最后将这些信息用屏幕显示出来，另外，通过无线通信模块将这些传感器采集到的信息发送到用户手机上实时显示出来，方便用户随时进行查看。当获取到的温湿度或可燃气体浓度数据超过提前设定的阈值时，将预警信号发送至手机。图5-2传感器检测流程图5.3Zigbee组网设计系统运行中，终端节点以一定的时间发送数据到协调器，当协调器接入电路之后，立刻建立网络：将传达送请求帧。如果请求帧发响，负责发送该帧的协调器则以肯定该信道已被征用，协调器切换到另外信道，并重复上述操作[17]。通过选定空信道和区域性质的网络的身份号码，来建立自己个的网络。后在先建网络中招纳终端设备，招纳之前要对终端节点进行身份检测。一旦终端设备发现某信道有协调器，即进行关联，以便能够加入网络，或者重新加入，然后就构成了结构化的网络[17]。以后网络中的协调器通过硬件的WIFI模块与云平台的服务器建立连接关系，然后发送数据到云平台以便用户端接收数据。Zigbee网络拓扑图如下图5-3所示。图5-3Zigbee网络拓扑图第6章系统调试在对本系统硬件模块和软件系统设计完毕后，立刻进行组装和调试，完成包括CC2530开发板等全部电路板的焊接，并且对各个接口和焊脚等完成安全性和稳定性的检查，保证系统足够正常运行。主控模块和显示模块硬件接口图如下图6-1所示。图6-1主控模块和显示模块电路图将本系统软件模块设计好后，将程序编译并烧录入单片机以后，根据程序命令完成动作以实现系统所预期功能。当阈值设置为温度36℃，湿度65%，可燃气体浓度54%时，正常状态下用户手机端显示数据如图6-2所示。图6-2正常状态下用户手机数据显示图当阈值设置为温度36℃，湿度65%，可燃气体浓度54%时，可燃气浓度超过阈值时，用户手机端显示数据如图6-3所示，此时风扇转动如图6-4所示。图6-3可燃气体浓度超标时用户手机显示图图6-4可燃气体浓度超标后风扇转动当阈值设置为温度45℃，湿度59%，可燃气体浓度54%时，温度或湿度度超过阈值时，用户手机端显示数据如图6-5所示，此时打开窗锁（继电器）如图6-6所示。图6-5湿度超标时用户手机显示图图6-6湿度超标时继电器打开结论基于Zigbee的智能厨房系统的设计与实现，对厨房内部空气中的温湿度、天然气、甲烷等气体进行检测，然后通过OLED屏幕对数据进行显示。当温湿度或可燃气体浓度数值超过阈值时，向手机发送预警信号，同时向终端节点发送命令，打开风扇或窗锁（继电器）实现对温湿度和可燃气体浓度的控制。本课题能够对厨房中各项环境数据进行全天候在线的数据检测，有异常情况则向用户手机发送信号进行报警，另外，还可以对这些数据进行存储，方便以后进行判断，但是，它的不足之处是在准确度和精度上还存在一定的误差。本系统的功能基本满足要求，但在一些运行细节上还存在很大的欠缺。关于硬件方面的不足有：各类传感器检测的各种数据不够全面，且覆盖范围可能存在一些漏洞；由于部分传感器价格昂贵，所以本文选用了价格较为便宜的器件为替代品，然而在检测精度上存在一定的误差；另外，硬件中的全部模块是以顺序的方式执行工作，全部数据更新的速度比较慢，因此还可以尝试让各模块并行工作，从而提高工作效率，那样的话可能会需要更多的电源做支撑；该系统可以向用户发送预警信号报警并采取措施控制温湿度或可燃气体浓度；目前本系统只能服务于某一用户，还可以尝试加入数据库引入大数据，添加更多用户同时运行系统，造福更多人。参考文献[1]薛东,彭志强.单片机技术下的智能厨房控制系统实现探讨[J].科技创新与应用.2020(08):94-95.[2]谭琼花,阚聪等人.厨房环境监测和控制系统的设计[J].洛阳理工学院学报.2020(30):41-44.[3]孙建梅,罗佳伟等.基于物联网的智能厨房系统的设计与实现[J].电脑迷.2018(04):102-103.[4]吴凯,杜选等.基于ZigBee的智能厨房研究与设计[J].电脑知识与技术.2019(15):251-253.[5]王浩.基于Zigbee技术和QT平台的温湿度采集控制程序设计[J].软件工程,2018,21(9):48-50.[6]单振宇,王弘扬,张艳河.居家养老模式下厨房智能家居产品设计研究[J].工业设计,2020,07:104-105.[7]刘倩.基于青年群体需求的智能厨房设计研究[D].长沙：湖南大学，2018.[8]WaqqasM.KhanandImranA.Zualkernan.SensePods:AZigBee-basedTangibleSmart