淺談餐飲業(yè)油煙在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安科瑞 鮑靜君

　　摘 要：為使監(jiān)管部門及商家能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測廚房內(nèi)油煙的排放量，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種油煙在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)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(xiàn)場信息的采集。為確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用GPRS無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，使得監(jiān)管部門可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)商家的油煙排放情況。本系統(tǒng)可同時(shí)檢測多個(gè)灶臺煙道內(nèi)的油煙濃度，測量精度高，可靠性強(qiáng)并可滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

　　關(guān)鍵詞：油煙在線檢測；氣體傳感器；CAN 總線；GPRS

　　0 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)日益的發(fā)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(qiáng)，這使得餐飲業(yè)快速發(fā)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(dǎo)致了油煙的污染問題；另一方面，國家對于空氣環(huán)境方面的改進(jìn)，也逐漸成為我國發(fā)展的要點(diǎn)。

　　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(guān)研究較少。國內(nèi)以往的檢測油煙方法是將油煙采樣帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)分析，使用檢氣管法或者用紅外技術(shù)進(jìn)行檢測，這類繁雜的人工監(jiān)測方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)狀，因此一款實(shí)時(shí)油煙檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得尤為重要。

　　文中在此背景下設(shè)計(jì)了一種面向監(jiān)管部門及商家使用的油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，采用STM32407系列單片機(jī)作為主控制器，通過各類傳感器采集現(xiàn)場的包括油煙值，環(huán)境溫度，濕度等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。為確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，通過使用GPRS無線通訊的方式將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器并保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，使得商家及監(jiān)管部門通過訪問Web應(yīng)用的方式進(jìn)行監(jiān)管。這樣可以提高了環(huán)保部門對城市環(huán)境的綜合監(jiān)控能力，具有顯著的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

　　1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理及通訊、服務(wù)器與人機(jī)交互四層結(jié)構(gòu)組成。

　　數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，CAN 總線模塊用于將上述數(shù)字量傳輸至放置在食堂或餐廳的數(shù)據(jù)通訊模塊。

　　基于微處理器的數(shù)據(jù)通訊模塊，將CAN總線接收到的油煙檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并通過使用串口發(fā)送AT指令驅(qū)動 GRPS模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，同時(shí)提供定位功能。

　　本系統(tǒng)預(yù)留出與網(wǎng)站、APP交互的接口，監(jiān)管部門及商家用戶可通過登錄訪問服務(wù)器監(jiān)控網(wǎng)站或者使用手機(jī) APP 的方式，來實(shí)時(shí)獲取商家的油煙值濃度。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　2 油煙監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 氣體檢測模塊

　　油煙中所含成分十分復(fù)雜。大致分為3種：一是分子質(zhì)量和直徑都足夠大的固態(tài)顆粒；二是其質(zhì)量和直徑產(chǎn)生的重力小于空氣浮力的固態(tài)小顆粒；三是氣態(tài)物質(zhì)，主要來源于煤、液化氣等可燃物燃燒產(chǎn)生的碳氧化物等有害氣體，多數(shù)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(zhì)過氧化反應(yīng)。文中出于綜合考慮并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)決定使用油煙中氣態(tài)物的含量來衡量油煙濃度。

　　氣態(tài)物的檢測采用 TGS2602 型號傳感器，此傳感器性能穩(wěn)定、優(yōu)點(diǎn)眾多：功耗小、對烹飪氣體、成本低、穩(wěn)定性好、應(yīng)用電路簡單。被檢測氣體的濃度越高，傳感器元件的電導(dǎo)率也會隨之增加，利用導(dǎo)電率的變化即可推導(dǎo)出與之相對應(yīng)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(shè)計(jì)中使用了恒壓芯片TL431cdr，將5V電壓降到穩(wěn)定的2.5 V供傳感器使用。當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化后測量電阻的阻值也隨之改變，由于負(fù)載R7在分壓后所得電壓過小，不便于進(jìn)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(jìn)行處理。具體設(shè)計(jì)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(tǒng)中在油煙氣體濃度與溫度值之間有著對應(yīng)關(guān)系，油煙濃度的判斷需要溫度和濕度作為參考，同時(shí)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(shè)備，若設(shè)備未啟用，則溫濕度值不會發(fā)生改變。

　　對于環(huán)境溫濕度的測量，本系統(tǒng)使用了DHT22傳感器，該傳感器集溫濕度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，可直接輸出數(shù)字量，傳輸距離遠(yuǎn)，硬件電路結(jié)構(gòu)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(huán)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(shè)備距離較遠(yuǎn)，同時(shí)又需要檢測多個(gè)目標(biāo)的油煙數(shù)據(jù)，所以在本文的設(shè)計(jì)中將各個(gè)檢測終端使用 CAN 總線進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)接收端在CAN總線上收集各個(gè)終端的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

　　本系統(tǒng)中的CAN總線通信模塊，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。采用ADM3053模塊，內(nèi)部集成了DCDC轉(zhuǎn)換器，省掉了光耦隔離，不僅可以隔離單片機(jī)與油煙檢測探頭通信的信號和電源，而且可以節(jié)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(tǒng)的供電情況較為復(fù)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(gè)模塊能夠正常穩(wěn)定的工作。

　　系統(tǒng)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(gè)模塊能夠穩(wěn)定工作，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)為：外接12V 電壓保證各個(gè)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(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源電路結(jié)構(gòu)圖

　　針對12V轉(zhuǎn)5V電壓的實(shí)際需求，在本文的設(shè)計(jì)中選用了的開關(guān)穩(wěn)壓電源L5973D。跟以往的線性穩(wěn)壓電源不同，開關(guān)穩(wěn)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(wěn)壓電源的輸入電壓；并且該芯片還具有的熱關(guān)斷和內(nèi)部電流限制功能，安全地保護(hù)了電路。

　　L5973D降壓芯片可調(diào)節(jié)電壓范圍為1.235~35V，芯片5引腳為基準(zhǔn)穩(wěn)壓 VFB=1.235V。此芯片可根據(jù)調(diào)整分壓電阻的阻值來設(shè)置不同的輸出電壓，電路中分壓電阻R28和R29，分別設(shè)計(jì)為10kΩ和 3.3 kΩ。具體如圖5所示。

圖5 L5973D電源電路

　　根據(jù)上圖電路可推導(dǎo)得出公式：

　　進(jìn)而計(jì)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(shè)計(jì)中選用了AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片。該芯片是一個(gè)線性可調(diào)的三端穩(wěn)壓器，內(nèi)置過熱保護(hù)和過流保護(hù)，保證電路的穩(wěn)定，可將電壓由5V降低至穩(wěn)定的3.3V。電源電路設(shè)計(jì)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(tǒng)中輸入電壓為5V。由于模塊自帶降壓芯MIC29302WU，輸出可調(diào)電壓4V，無需外接電路SIM868即可正常工作。

　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為3部分，依次為數(shù)據(jù)采集部分，CAN總線通訊部分和 GPRS通訊部分。系統(tǒng)中所有的軟件設(shè)計(jì)工作均在 Keil MDK-ARM 開發(fā)環(huán)境中由C語言編寫完成。

　　3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件

　　數(shù)據(jù)采集部分由內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換功能的STM32F405作為主控制器。在系統(tǒng)完成初始化后啟動定時(shí)器周期性的觸發(fā)中斷，以此來獲取溫濕度傳感器測得的數(shù)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(jìn)AD轉(zhuǎn)換得出相應(yīng)的數(shù)字量后，驅(qū)動CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收端。程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)流程圖

　　3.2 CAN總線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

　　當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊完成一次數(shù)據(jù)的獲取與處理后驅(qū)動ADM3053進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。其中CAN協(xié)議報(bào)文格式采用ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)文由幀起始，仲裁段，控制段，數(shù)據(jù)段，CRC段，ACK 段和幀結(jié)束組成。其中數(shù)據(jù)段為8個(gè)字節(jié)，發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為油煙值，溫度值，工作狀態(tài)，電壓值和電流值。

　　3.3 GPRS通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中的GPRS通訊功能是由STM32F407通過串口發(fā)送AT指令來驅(qū)動無線通信模塊 SIM868實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)通過AT指令，使SIM868模塊與服務(wù)端成功建立TCP連接后，將SIM868模塊設(shè)置為透傳模式。當(dāng)模塊進(jìn)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(shù)據(jù)，SIM868不再對數(shù)據(jù)做任何處理。透傳模式不僅提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率同時(shí)也大大方便了在數(shù)據(jù)通訊過程的中的軟件設(shè)計(jì)工作。

　　在模塊進(jìn)行TCP連接后，若連接不成功則重新進(jìn)行連接；若連接成功，則發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，同時(shí)開啟串口中斷接收模塊的返回值，并判斷返回值是數(shù)據(jù)還是命令；若返回值為數(shù)據(jù)則啟用接收，若為命令，則根據(jù)命令號結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)流程圖

　　4 實(shí) 驗(yàn)

　　該系統(tǒng)實(shí)物圖如圖 9所示。

圖9 油煙檢測實(shí)物圖

　　為驗(yàn)證該油煙系統(tǒng)的可行性，做了如下實(shí)驗(yàn): 將檢測模塊在正?？諝庵袉?，啟動 GPRS與配套上位機(jī)服務(wù)器相連觀察各相檢測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面如圖10所示。

圖10 空氣中檢測數(shù)據(jù)

　　5 安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監(jiān)測云平臺

　　為了彌補(bǔ)現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測上的漏洞，同時(shí)便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測云平臺應(yīng)運(yùn)而生。油煙監(jiān)測模塊通過2G/4G與云端平臺進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設(shè)備的開機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)開機(jī)率監(jiān)測，凈化效率監(jiān)測，設(shè)施停運(yùn)告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、排名等統(tǒng)計(jì)功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測方案，更具安全性和實(shí)效性。平臺預(yù)留與其他應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備交互對接接口，具有很好的擴(kuò)展性。

　　5.1平臺結(jié)構(gòu)

　　平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動對超標(biāo)排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預(yù)警，監(jiān)管部門可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設(shè)備，并定期清洗、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的?，F(xiàn)場安裝監(jiān)測終端，持續(xù)監(jiān)測油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設(shè)備運(yùn)行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時(shí)結(jié)合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進(jìn)行對比分析，一旦排放超標(biāo)，系統(tǒng)會發(fā)出異常信號。

■ 油煙監(jiān)測設(shè)備用來監(jiān)測油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)

　　■ 凈化器和風(fēng)機(jī)配合對油煙進(jìn)行凈化處理，同時(shí)對凈化設(shè)備的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測

　　■ 設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程云端服務(wù)器

　　5.2 平臺主要功能

　　(1)在線監(jiān)測

　　對油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測;同時(shí)對監(jiān)控風(fēng)機(jī)和凈化器的啟停狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

(2)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測

　　系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對應(yīng)的排放超標(biāo)告警;對凈化器的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設(shè)備對應(yīng)的運(yùn)行、停機(jī)、故障等告警事件。

　　(3)數(shù)據(jù)分析

　　運(yùn)行時(shí)長分析，離線分析;告警占比、排名分析;歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

(4)隱患管理

　　系統(tǒng)對采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對應(yīng)的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時(shí)處理告警，形成閉環(huán)

(5)統(tǒng)計(jì)分析

　　包括時(shí)長分析、超標(biāo)分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報(bào)告等模塊

(6)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)

　　個(gè)人信息、權(quán)限維護(hù)，企業(yè)信息錄入，對應(yīng)測點(diǎn)信息錄入等

　　(7)數(shù)據(jù)服務(wù)

　　數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

　　5.3油煙監(jiān)測主機(jī)

　　油煙監(jiān)控主機(jī)是現(xiàn)場的管理設(shè)備，實(shí)時(shí)采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器平臺。同時(shí)，對本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，提供人機(jī)操作界面。

具體技術(shù)參數(shù)如下：

5.4 設(shè)備選型方案

　　注：雙探頭適合雙排煙通道的場合，每路探頭監(jiān)測1路排煙通道。

　　6 結(jié)論

　　經(jīng)測試該硬件系統(tǒng)與服務(wù)器間通信正常，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，上位機(jī)可實(shí)時(shí)獲取各相檢測數(shù)據(jù)。設(shè)備使用方便，準(zhǔn)確度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。