汪昕宇 付俊英 王蘊琪 高 爽 龔永罡

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

基于阿里IOT云平臺的智能廚房油煙機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

汪昕宇 付俊英 王蘊琪 高 爽 龔永罡

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

本文描述了基于阿里IOT云平臺的智能廚房油煙機系統(tǒng)設計方案與具體實現(xiàn)，通過家庭WiFi，接入阿里IOT云平臺，實現(xiàn)對家中智能油煙機的控制。抽煙機與IOT云平臺連接的中間設備,采用以WM-N-BM-09A片上WiFi芯片和STM32F100BV主控芯片為核心的IOT嵌入式模塊進行開發(fā),利用WiFi通過無線路由與IOT云平臺建立通信通道，根據(jù)主控板上傳感器檢測結果控制油煙機的開關、風速、狀態(tài)以及高度。測試結果表明,基于IOT云平臺的控制系統(tǒng)方案，具有高度自動化、反應靈敏、油煙處理效率高等優(yōu)點。

阿里IOT云；抽油煙機；智能感應

1 引言

如今隨著物質生活水平的提高，人們對廚房的環(huán)境要求也越來越高，在家庭生活中使用抽油煙機的頻率和功能要求也隨之提高。老式抽煙機一般是通過觸摸或按鍵方式操作抽煙機，但是無法避免的問題是手上做飯會沾上油，所以手動操作在廚房中很不方便。并且人們在做飯時會忘記及時打開抽煙機或沒有根據(jù)油煙濃度變化隨時調節(jié)風速，致使屋中油煙沒有高效地被除凈，對人的健康產(chǎn)生很大的威脅。

為解決這一問題，提出基于阿里云平臺的智能廚房油煙機[1,2]，利用傳感器、阿里云平臺實現(xiàn)對油煙機的遠程控制，油煙機利用傳感器自動檢測廚房空氣中有無油霧（油煙、水蒸氣等雜質）以及油霧濃度值的變化，然后把檢測到的數(shù)據(jù)傳到阿里云平臺，阿里云平臺處理完數(shù)據(jù)后，將指令發(fā)送給油煙機，實現(xiàn)自動控制吸油煙機風機的啟?；蜃詣涌刂莆蜔煓C的風量大小，這樣就會避免洗凈率差的問題。

2 系統(tǒng)的總體設計

2.1 系統(tǒng)組成

項目由智能廚房油煙機設備、WiFi通信及紅外線傳感器設備、阿里云控制模塊和后臺云端服務器構成。阿里云平臺通過HTTP與家庭網(wǎng)關連接[2]，如今許多家庭都安裝有WiFi，家庭網(wǎng)關可以通過WiFi通信連接到阿里云模塊，再由阿里云模塊通過UART通信連接油煙機主控板，自動控制抽煙機的開關通過紅外傳感器自動檢測屋內空氣中油煙、水蒸氣等雜質，并且能根據(jù)傳感器檢測空氣中的雜質濃度值改變抽煙機的風量大小，實現(xiàn)抽煙機的智能自動無觸摸控制。其中，油煙機主控板包括：開關機設置、風速控制、狀態(tài)顯示、高度調節(jié)和本地設置這幾個功能。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2.2 系統(tǒng)的功能特點

(1)可以實現(xiàn)對家庭油煙機的智能無觸摸開機、關機功能控制。

(2)實現(xiàn)油煙機風量智能變化大小。

(3)用戶可以隨時了解油煙機運行狀態(tài)。

(4)實現(xiàn)油煙機高度智能調節(jié)。

3 系統(tǒng)硬件及協(xié)議設計

智能廚房油煙機控制系統(tǒng)的硬件結構主要包括阿里IOT云嵌入式模塊與抽煙機主控板。

3.1 阿里IOT云模塊的硬件結構組成

本設計中核心硬件是阿里IOT云模塊，利用嵌入式無線互聯(lián)設備無線連接平臺將抽煙機接入阿里IOT云服務。阿里IOT云模塊由兩大部分組成，第一部分是數(shù)據(jù)處理模塊：利用STM32F100BV單片機實現(xiàn)。第二部分是數(shù)據(jù)傳送模塊：利用WM-N-BM-09A片上WiFi模塊實現(xiàn)。

3.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32F100BV使用的是ARM Cortex-M3內核的高性能低功耗單片機。此單片機可以對外提供一個UART接口，通信利用單片機UART接口和外部被控設備進行，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和處理的功能。UART接口具有全雙工通訊功能，它不僅可以給被控設備下發(fā)協(xié)議，讓被控設備執(zhí)行需要的功能，也可以接收和解析被控設備上傳的當前狀態(tài)，然后發(fā)送到WM-N-BM-09A模塊。數(shù)據(jù)處理單元功能主要包括：解析協(xié)議功能、封裝數(shù)據(jù)包功能、拆包數(shù)據(jù)包功能、管理版本號、處理定時預約信息等。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳送模塊

數(shù)據(jù)傳送模塊采用STM32F205RGY6微處理器和Broadcom43362無線WiFi芯片。本模塊可以通過SPI、UART、USB通信接口，可以通過家中WiFi連接到服務器進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳送模塊可以連接到路由器，使阿里IOT模塊鏈接到云服務器，并進行數(shù)據(jù)接收發(fā)送的功能。它支持的最大帶寬為65Mbit/s，內置IEEE 802.11b/g協(xié)議以及802.11n協(xié)議。

3.1.3 阿里IOT模塊和主控板間協(xié)議

阿里IOT模塊和主控板間協(xié)議是指抽煙機主控MCU與阿里IOT模塊中的STM32F100BV單片機之間的通信協(xié)議，此通信協(xié)議標準是以Modbus為標準。本協(xié)議可分為兩種類型，主控板發(fā)送云平臺控制命令給抽煙機時使用的是控制指令協(xié)議，外部設備傳感器監(jiān)測及收集抽煙機當前狀態(tài)信息使用狀態(tài)反饋協(xié)議。這兩種協(xié)議格式都包括幀頭、源地址、目標地址、功能碼、數(shù)據(jù)域、CRC校驗碼六部分[3]。油煙機主控板與阿里云模塊的通信協(xié)議擬采用表1的數(shù)據(jù)格式。

功能碼表示抽煙機接下來需要執(zhí)行的操作，當實現(xiàn)高度設置以及風速大小設置時，數(shù)據(jù)域信息有效。當實現(xiàn)關機開機復位時，數(shù)據(jù)域信息無效。功能碼的具體內容擬采用表2的內容。

3.1.4 通過UART通信連接油煙機主控板與阿里云模塊

阿里IOT云模塊與油煙機兩者間采用UART通信來實現(xiàn)傳遞控制指令和反饋狀態(tài)信息，在軟件設計方面包含了UART的初始化、報文接收和報文分析中斷程序、報文發(fā)送程序[4]。

在UART初始化的過程中，配置協(xié)議格式中的校驗碼、USART波特率數(shù)值以及數(shù)據(jù)位，在完成配置后，可以實現(xiàn)發(fā)送控制指令以及接受當前狀態(tài)的信息功能。在發(fā)送程序中，以協(xié)議格式把抽煙機的控制命令字發(fā)送給抽煙機，以此可以設置功能。在控制過程中，單片機微處理器通過Wi-Fi接收IOT模塊接收的數(shù)據(jù)，解析并提取抽煙機發(fā)送的當前數(shù)據(jù)及信息，然后主控板中MCU以特定封裝格式發(fā)送這條信息到IOT云平臺。

3.2 油煙機主控板的設計

油煙機主控板設計采用了單片機微處理器MCU[5]，它在主控電路中占核心位置。MCU的功能是提取及處理從油煙機接收的數(shù)據(jù)并且對抽煙機發(fā)出控制指令?？紤]到油煙機在廚房中使用時主控板會受到空氣中雜質、室內溫度等影響，選擇器件時尤為注意這些特點。并且考慮到抽煙機體積小等問題，采用了STC公司的IAP15L2K61S2單片機。這款單片機符合使用環(huán)境及體積要求，并且它比傳統(tǒng)單片機速度快8-12倍，不僅如此，還具有抗干擾能力強的特點，常溫下溫飄在5%左右。

表1 主從機的數(shù)據(jù)格式

表2 功能碼的具體內容

4 系統(tǒng)的運行與功能測試

在家庭廚房環(huán)境下進行本系統(tǒng)的運行和功能測試。以智能改變抽煙機風速為例介紹。

抽煙機開機后，在保證阿里IOT云模塊與家庭網(wǎng)和廚房油煙機連接正常的前提下，通過系統(tǒng)的遠程風速控制功能進行測試分析。增加炒菜油煙濃度，抽煙機風速增大，持續(xù)運行一段時間后，油煙濃度大幅度減小，風速也隨之減小。經(jīng)過多次反復實驗，抽煙機能根據(jù)油煙濃度及時改變風速大小。

5 結語

本文對基于阿里IOT云平臺的智能廚房油煙機控制系統(tǒng)進行了詳細的研究設計。利用UART協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，油煙數(shù)據(jù)經(jīng)過阿里云模塊進行處理后，通過主控板實現(xiàn)油煙機的開啟、關閉和風速大小調節(jié)，解決了目前油煙機使用上的弊端和不便。

[1]崔健，段振剛，齊志男，等．基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的壁掛爐遠程控制系統(tǒng)[J]．計算機系統(tǒng)應用，2015，24(9)：56-60．

[2]邵鵬飛，王喆，張寶儒．面向移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J]．計算機測量與控制，2012，20(2)：474-476．

[3]王根義．CRC校驗碼算法的研究與實現(xiàn)[J]．電子設計工程，2012，20(9)：38-40．

[4]閔麗娟，盧捍華，陳玲，等．智能家居的系統(tǒng)結構及相關無線通信技術研究[J]．計算機技術與發(fā)展，2011，21(8)：169-172．

[5]徐汶東．基于無線通信的智能油煙機控制系統(tǒng)設計[C]．ICSSS，2015：421-425．

Design and Implementation of Intelligent Kitchen Lampblack Machine System Based onAlibaba IOT Cloud Platform

Wang Xinyu Fu Junying Wang YunqiGao Shuang Gong Yonggang
(Beijing Technology and Business University,Beijing 100048)

This paper designs an intelligent kitchen lampblack machine control system based on Alibaba IOT Cloud Platform,which can control the lampblack machine by accessing Alibaba IOT Cloud Platform through home WiFi.The intermediate device,which connects Alibaba IOT Cloud Platform with the lampblack machine,is developed by IOT embedded modules using WM-NBM-09A chip and STM32F100BV chip as the core.The communication channel is established with the wireless router.The lampblack machine instructions of on-off,wind speed,status and height are controlled by the monitoring data of the main control panel.Test result shows that the control system based on Alibaba IOT Cloud Platform is outstanding in automation,sensitivity and cooking fume purification handling.

Alibaba IOT Cloud;lampblack machine;intelligent sensing

TP274

A

1008-6609(2017)10-0068-03

汪昕宇（1997-），女，北京人，本科，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應用技術。