安科瑞 鮑靜君

　　摘 要：為使監管部門及商家能夠實時監測廚房內油煙的排放量，本文設計開發了一種油煙在線檢測系統。系統選用STM32系列單片機作為主控芯片，通過 TGS2602氣體傳感器、DHT22 溫濕度傳感器，CAN總線等模塊完成現場信息的采集。為確保系統實時性，采用GPRS無線傳輸模塊將數據上傳至服務器，使得監管部門可通過互聯網實時獲取目標商家的油煙排放情況。本系統可同時檢測多個灶臺煙道內的油煙濃度，測量精度高，可靠性強并可滿足系統的實時性要求。

　　關鍵詞：油煙在線檢測；氣體傳感器；CAN 總線；GPRS

　　0 引言

　　隨著經濟日益的發展，我國人民的生活水平逐步提高，人民對于飲食口味的要求逐漸增強，這使得餐飲業快速發展。然而花樣繁雜的中餐制作過程勢必少不了過油，猛火的幫助，這就導致了油煙的污染問題；另一方面，國家對于空氣環境方面的改進，也逐漸成為我國發展的要點。

　　國外由于飲食方式的大多少油，所以油煙方面的污染較低，相關研究較少。國內以往的檢測油煙方法是將油煙采樣帶回實驗室，進行物理實驗分析，使用檢氣管法或者用紅外技術進行檢測，這類繁雜的人工監測方式已經無法滿足現狀，因此一款實時油煙檢測系統的實現變得尤為重要。

　　文中在此背景下設計了一種面向監管部門及商家使用的油煙在線監測系統。結合實際業務需求，采用STM32407系列單片機作為主控制器，通過各類傳感器采集現場的包括油煙值，環境溫度，濕度等多項數據。為確保系統實時性，通過使用GPRS無線通訊的方式將數據上傳至服務器并保存在數據庫內，使得商家及監管部門通過訪問Web應用的方式進行監管。這樣可以提高了環保部門對城市環境的綜合監控能力，具有顯著的社會與經濟效益。

　　1 系統的總體設計

　　本系統由數據檢測、數據處理及通訊、服務器與人機交互四層結構組成。

　　數據檢測模塊放置在煙道凈化裝置之后，主要由氣體傳感器，溫、濕度傳感器，AD轉換模塊和CAN總線模塊四部分組成。其中AD模塊用于將氣體傳感器檢測得出的模擬量轉換為數字量，CAN 總線模塊用于將上述數字量傳輸至放置在食堂或餐廳的數據通訊模塊。

　　基于微處理器的數據通訊模塊，將CAN總線接收到的油煙檢測節點數據信息進行處理，并通過使用串口發送AT指令驅動 GRPS模塊將數據實時上傳至服務器，同時提供定位功能。

　　本系統預留出與網站、APP交互的接口，監管部門及商家用戶可通過登錄訪問服務器監控網站或者使用手機 APP 的方式，來實時獲取商家的油煙值濃度。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

　　2 油煙監測系統的硬件設計

　　2.1 氣體檢測模塊

　　油煙中所含成分十分復雜。大致分為3種：一是分子質量和直徑都足夠大的固態顆粒；二是其質量和直徑產生的重力小于空氣浮力的固態小顆粒；三是氣態物質，主要來源于煤、液化氣等可燃物燃燒產生的碳氧化物等有害氣體，多數為烴類，酮類長期接觸這些污染物會對人體造成DNA氧化損傷和脂質過氧化反應。文中出于綜合考慮并根據國家標準決定使用油煙中氣態物的含量來衡量油煙濃度。

　　氣態物的檢測采用 TGS2602 型號傳感器，此傳感器性能穩定、優點眾多：功耗小、對烹飪氣體、成本低、穩定性好、應用電路簡單。被檢測氣體的濃度越高，傳感器元件的電導率也會隨之增加，利用導電率的變化即可推導出與之相對應的氣體濃度變化。

　　檢測部分電路總電源電壓為5V，而氣體傳感器的測量電壓需要恒定的2.5V，所以在本文的設計中使用了恒壓芯片TL431cdr，將5V電壓降到穩定的2.5 V供傳感器使用。當氣體濃度發生變化后測量電阻的阻值也隨之改變，由于負載R7在分壓后所得電壓過小，不便于進一步處理，所以加入了電壓跟隨器與放大電路將其放大2倍后，再將電壓值傳輸至微處理器進行處理。具體設計如圖2所示。

圖2 傳感器檢測電路原理圖

　　2.2 溫濕度檢測模塊

　　在此系統中在油煙氣體濃度與溫度值之間有著對應關系，油煙濃度的判斷需要溫度和濕度作為參考，同時還可以通過溫濕度的變化來觀察商家是否已使用該檢測設備，若設備未啟用，則溫濕度值不會發生改變。

　　對于環境溫濕度的測量，本系統使用了DHT22傳感器，該傳感器集溫濕度測量和A/D轉換于一體，可直接輸出數字量，傳輸距離遠，硬件電路結構簡單，與主控制器接口幾乎不需要外圍元件。測量范圍是濕度 0~1，溫度 20~80 ℃，適用于油煙氣體環境中，測量精度高。

　　2.3 CAN總線通訊模塊

　　由于油煙采集終端與油煙設備距離較遠，同時又需要檢測多個目標的油煙數據，所以在本文的設計中將各個檢測終端使用 CAN 總線進行連接。數據接收端在CAN總線上收集各個終端的數據采集結果。

　　本系統中的CAN總線通信模塊，符合ISO11898標準。采用ADM3053模塊，內部集成了DCDC轉換器，省掉了光耦隔離，不僅可以隔離單片機與油煙檢測探頭通信的信號和電源，而且可以節省資源。CAN 總線接口電路如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路

　　2.4 電源模塊

　　系統的供電情況較為復雜，需要給微處理器、無線通信模塊和傳感器檢測部分提供不同的工作電壓，才能使各個模塊能夠正常穩定的工作。

　　系統中微處理器STM32F407的工作電壓范圍為1.8~3.6 V，一般情況下的工作電壓通常為3.3V，傳感器檢測模塊和CAN總線通信模塊的工作電壓為5V。針對以上需求為保證各個模塊能夠穩定工作，系統電源設計為：外接12V 電壓保證各個模塊供電充足，降壓至5V分別給傳感器模塊和通訊模塊供電，再由5V降3.3V為微處理器供電。電源供電結構如圖4所示。

圖4 電源電路結構圖

　　針對12V轉5V電壓的實際需求，在本文的設計中選用了的開關穩壓電源L5973D。跟以往的線性穩壓電源不同，開關穩壓電源 L5973D功率消耗低，體積小，大大減小了散熱片和 PCB板的體積，提高了穩壓電源的輸入電壓；并且該芯片還具有的熱關斷和內部電流限制功能，安全地保護了電路。

　　L5973D降壓芯片可調節電壓范圍為1.235~35V，芯片5引腳為基準穩壓 VFB=1.235V。此芯片可根據調整分壓電阻的阻值來設置不同的輸出電壓，電路中分壓電阻R28和R29，分別設計為10kΩ和 3.3 kΩ。具體如圖5所示。

圖5 L5973D電源電路

　　根據上圖電路可推導得出公式：

　　進而計算 Vout = 4.977V，該電壓直接供電給CAN總線使用。

　　針對STM32 微處理器3.3 V的工作電壓需要，在本文的設計中選用了AMS1117-3.3穩壓芯片。該芯片是一個線性可調的三端穩壓器，內置過熱保護和過流保護，保證電路的穩定，可將電壓由5V降低至穩定的3.3V。電源電路設計如圖 6所示。

圖6 AMS1117-3.3電源電路

　　無線通信模塊SIM868的工作電壓范圍為 3.4~4.4 V，系統中輸入電壓為5V。由于模塊自帶降壓芯MIC29302WU，輸出可調電壓4V，無需外接電路SIM868即可正常工作。

　　3 系統的軟件設計

　　系統軟件設計主要分為3部分，依次為數據采集部分，CAN總線通訊部分和 GPRS通訊部分。系統中所有的軟件設計工作均在 Keil MDK-ARM 開發環境中由C語言編寫完成。

　　3.1 數據采集模塊軟件

　　數據采集部分由內置AD轉換功能的STM32F405作為主控制器。在系統完成初始化后啟動定時器周期性的觸發中斷，以此來獲取溫濕度傳感器測得的數字量與氣體傳感器測得的電壓值模擬量。對氣體傳感器測得的電壓值進AD轉換得出相應的數字量后，驅動CAN總線將數據發送至數據接收端。程序流程如圖7所示。

圖7 數據采集程序設計流程圖

　　3.2 CAN總線通訊模塊軟件設計

　　當數據采集模塊完成一次數據的獲取與處理后驅動ADM3053進行數據發送。其中CAN協議報文格式采用ISO11898標準，報文由幀起始，仲裁段，控制段，數據段，CRC段，ACK 段和幀結束組成。其中數據段為8個字節，發送的數據依次為油煙值，溫度值，工作狀態，電壓值和電流值。

　　3.3 GPRS通訊模塊軟件設計

　　系統中的GPRS通訊功能是由STM32F407通過串口發送AT指令來驅動無線通信模塊 SIM868實現的。當通過AT指令，使SIM868模塊與服務端成功建立TCP連接后，將SIM868模塊設置為透傳模式。當模塊進入透傳模式后將不再接收任何AT指令，而是專注于處理 STM32 的串口數據，SIM868不再對數據做任何處理。透傳模式不僅提高了系統運行效率同時也大大方便了在數據通訊過程的中的軟件設計工作。

　　在模塊進行TCP連接后，若連接不成功則重新進行連接；若連接成功，則發送采集到的數據傳輸至服務器端，同時開啟串口中斷接收模塊的返回值，并判斷返回值是數據還是命令；若返回值為數據則啟用接收，若為命令，則根據命令號結合相應結構體處理命令。具體AT指令如表1所示，通訊流程圖如圖8所示。

圖8 GPRS 通訊設計流程圖

　　4 實 驗

　　該系統實物圖如圖 9所示。

圖9 油煙檢測實物圖

　　為驗證該油煙系統的可行性，做了如下實驗: 將檢測模塊在正常空氣中啟動，啟動 GPRS與配套上位機服務器相連觀察各相檢測數據。系統運行穩定，上位機數據顯示界面如圖10所示。

圖10 空氣中檢測數據

　　5 安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監測云平臺

　　為了彌補現存餐飲行業在煙油監測上的漏洞，同時便利監管部門的監察，安科瑞油煙監測云平臺應運而生。油煙監測模塊通過2G/4G與云端平臺進行通信和數據交互，系統能夠對企業餐飲設備的開機狀態、運行狀態進行監控；實現開機率監測，凈化效率監測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數據進行統計分析、排名等統計功能；較之傳統的靜電監測方案，更具安全性和實效性。平臺預留與其他應用系統、設備交互對接接口，具有很好的擴展性。

　　5.1平臺結構

　　平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設備運行狀態和油煙排放的濃度數據，自動對超標排放及異常企業進行提示預警，監管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業整改設備，并定期清洗、維護，實現減排環保，不擾民等目的。現場安裝監測終端，持續監測油煙凈化器的工作狀態，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結合排煙口的揮發性物質、顆粒物濃度等進行對比分析，一旦排放超標，系統會發出異常信號。

■ 油煙監測設備用來監測油煙、顆粒物、NmHc等數據

　　■ 凈化器和風機配合對油煙進行凈化處理，同時對凈化設備的電流、電壓進行監測

　　■ 設備通過4G網絡將采集的數據上傳至遠程云端服務器

　　5.2 平臺主要功能

　　(1)在線監測

　　對油煙排污數據的監測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數值采集監測;同時對監控風機和凈化器的啟停狀態、運行數據進行監測。

(2)告警數據監測

　　系統根據采集的油煙數值大小，產生對應的排放超標告警;對凈化器的運行數據分析，上傳凈化設備對應的運行、停機、故障等告警事件。

　　(3)數據分析

　　運行時長分析，離線分析;告警占比、排名分析;歷史數據統計等。

(4)隱患管理

　　系統對采集的告警數據分析，產生對應的隱患記錄，派發、處理隱患，及時處理告警，形成閉環

(5)統計分析

　　包括時長分析、超標分析、歷史數據、分析報告等模塊

(6)基礎數據維護

　　個人信息、權限維護，企業信息錄入，對應測點信息錄入等

　　(7)數據服務

　　數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

　　5.3油煙監測主機

　　油煙監控主機是現場的管理設備，實時采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進行數據處理，通過有線或無線網絡通訊將數據傳輸到服務器平臺。同時，對本地數據進行存儲，監控現場設備狀態，提供人機操作界面。

具體技術參數如下：

5.4 設備選型方案

　　注：雙探頭適合雙排煙通道的場合，每路探頭監測1路排煙通道。

　　6 結論

　　經測試該硬件系統與服務器間通信正常，數據傳輸穩定，上位機可實時獲取各相檢測數據。設備使用方便，準確度高，具有較高的應用價值。