家庭厨房油烟监控器的设计

摘 要：油烟污染已经成为仅次于工业污染和交通污染后的第三大污染，大量的研究表明，烹饪油烟可损伤肺部功能，引起机体免疫功能下降，其有害物质日积月累地损害着人们的身体健康。随着生活水平的提高，越来越多的人对室内环境状况提出了更高的要求。本文在智能住宅项目的建设和研究上提出了基于气体传感器对家庭烹饪油烟的实时远程监控系统的一种方案，较好的解决了家庭烹饪中产生的油烟污染的监测和排放控制。

关键词：油烟监控；TGS2600；Cortex-M3

0 引言

烹饪油烟的化学成分因食物种类、加热温度、加工食品等因素的不同而不同，由气态、液态、固态三相污染物组成。近年来，饮食业油烟污染源已经成为仅次于工业污染源和交通污染源后的第三大污染源。其中气态的污染物更是危害人体健康的主要因素。大量的研究表明，烹饪油烟可损伤肺部功能，引起机体免疫功能下降，具有吸入毒性、致突变性、致癌性和生殖毒性。志愿者吸入油烟两分钟后，会出现呛咳、胸闷、气短等症状，呼吸阻力增加。小鼠自然吸收油烟气4个月，支气管粘膜上皮细胞异性增生，正常支气管粘膜细胞单复层化生和异性增生的病理移动过程属癌前病变。

目前市场上对油烟检测采用的方法有3种：传统分光光度法、油烟快速检测-检气管法、气体传感器的油烟检测法。

传统红外分光光度法具有测量精度高、准确性好的优点，但采样周期长、分析周期长、仪器成本高，无法实时监测油烟浓度；检气管法具有测量过程快速简便、成本低廉的优点，可以判别出油烟气的大致浓度，但其为化学分析方法，不能实时监测油烟浓度。

气体传感器对油烟检测具有实时性强的特点，但在使用过程中探测器易被油烟覆盖而导致使用寿命短，为保护探测头，传感器经过金属滤网过滤之后的油烟与标准油烟有一定的数值差异，在实时性要求较高、非精细检测浓度的环境中具有一定的应用优势。

智能住宅中对家庭烹饪油烟的监测要求能够实现实时远程监控的特点，气体传感器具有实时检测能力。本文提出了基于气体传感器对家庭烹饪油烟的实时远程监控系统的一种方案，较好的解决了家庭烹饪中产生的油烟污染的监测和排放控制，对智能住宅项目的建设和研究具有积极的意义。

1 系统结构

本油烟监控器从对室内特别是厨房内空气中的油烟浓度进行实时采集，采集的实时数据被送入微处理器中，系统中内嵌无线网络接口，可将油烟浓度信息实时送出至集总监控系统。当空气中的油烟浓度高于设定值时现场根据要求进行声光警示，在一定时间内油烟浓度无改善的情况下自动启动换气装置，加快室内外空气流动，强制降低厨房内油烟浓度从而提高室内空气质量。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计框图如图1所示，主要可分为微处理器模块，无线数据传输模块和传感器数据采集模块和现场其他外设控制模块。

2.1 微制器选择

目前微处理器种类繁多， Cortex-M3内核系列是基于ARMv7架构，Thumb-2指令集结合非对齐数据存储和原子位处理等特性，轻易8位、16位器件所需的存储空间就实现了32位性能。LM3S1F16作为使用Cortex-M3为内核的其中一款产品，内含8个具有12位的ADC，2个标准和快速I2C ，3个UARTs ，CPU时钟达到80MHz，包含单周期384KB的FlashROM和48KB的SRAM，ROM中还包含StellarisWare®。在功耗方面包含了睡眠模式和深度睡眠模式，其目标是包含为工业应用，包括测试、测量设备、家庭和商业监测和控制、运动控制。综上，选择LM3S1F16作为本设计中的微控制器。

2.2 油烟气敏传感器选择

本系统中油烟传感器选用TGS2600，其敏感元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成，利用加热器加热，以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化，在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化，在目标气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O2会捕捉电子，而呈现出高阻状态，若有目标气体存在，则因为会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低，用一个测量电路将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。

TGS2600器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作，由于采用标准化小型化TO-5封装芯片，加热器所需电流仅为42mA，具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性。

图2所示为TGS2600传感器基本测量电路，此传感器要求有两个电压输入加热器电压VH和线路电压Vc，加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度，线路电压Vc用于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout，此传感器有极性的，所以线路电压VH必须是直流。实际应用中可以用一个公共的电源来同时供给VH和Vc以满足传感器的电气需求，合理选择负载电阻RL使报警门限电压最优化，并使半导体传感器功耗小于15mw，当目标气体存在时，传感器功耗在RS与RL相等时最大。

2.3 人机交互硬件结构

ZLG7290按键数码管驱动器是广州周立功单片机发展有限公司针对仪器仪表行业推出的一款驱动芯片，可驱动8位共阴数码管或64个独立LED和64个按键，内置有连击计数器，可控扫描位数并且可控任一键的连击次数，提供键盘中断信号，无需外接元件即可直接驱动LED，该芯片抗干扰能力强，在工业测控中被广泛使用。

声光警示部分采用高亮闪烁放光极管和长音型喇叭，这样微控制器就只需要提供一个电平信号而不需要过多的占用微控制器资源就能分别完成声光警示效果。

2.4 换气系统

对于室内油烟的调节主要除了及时清除污染源外，通风是较好的改善室内空气质量的方法。本系统中电机在微控制器的控制下转动，使室内外空气交换或室内空气循环，强制调整室内外空气平衡，减小室内油烟浓度。

本设计中采用的是交流单相异步电动机，对于电机的驱动采用高低电压驱动方法，即不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中的电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。本系统中通过光耦隔离方式，发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管，转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，保护了MCU的端口。

2.5 射频芯选择

CC2520是TI公司为ZigBee低功耗无线应用推出的第2代2.4GHz射频芯片，具有工作电压范围最大、接收灵敏最高、休眠电流小、 封装尺寸最小等优点，遵循IEEE802.15.4标准。其收发电流相对CC2420较高，但其休眠电流却远低于CC2420。监测节点通常为低占空比工作模式，休眠电流对节点的功耗影响更为明显。在本监测器中选择CC2520射频芯片构建无线网络，完成节点数据的采集并可馈送至监控主机。

3 系统程序设计

本监测器的主要程序设计主要包含了硬件系统的初始化，包括开机后初始化LM3S1F16，系统显示、警示模块、无线通信系统和通风系统的自检，本过程由人工通过按键指引和判断对系统自检进行确认。系统确认通过后，传感器基本达到热平衡，气体感测系统开始工作。系统先通过气敏传感器读取当前环境的油烟浓度，实时将数据反馈到微控制器，LM3S1F16驱动片内A/D转换器工作，分别多次读取传感器的信息并进行转换，转换结果经过软件进行数据平滑滤波并计算，得出单位时间内的传感器所主要感应的油烟浓度，检测数值即时更新至显示器上并通过无线网络传送至集总控制中心进行数据保存和分析。检测过程中可以使用按键或透过集总控制中心随时根据需要更改报警限值。当所测中出现浓度超过所设限值时，打开本地声光报警器，并根据浓度同时驱动换气系统加速室内空气流动，将油烟气体排放至室外。系统主要工作流程如图3所示。

4 小结

室内空气质量的好坏逐渐被人们所关注，本油烟监控器从人体对室内环境的安全性、舒适性需求，使用传感器对室内油烟中有害气体进行检测，通过机内的通风机使室内外空气流动，使室内空气得到净化。

本仪器具有体积小、使用方便、性能价格比高等优点，使得该装置在智能住宅中有着很广阔的应用前景。

参考文献

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[5]冯伟，室内空气质量监测器的设计[J]，硅谷，2012。

[6]任俊龙，基于AVR单片机的空气净化器控制系统的硬件设计与实现[J]，合肥工业大学，2010。

作者简介

陈晓颖（1984-），女，广东湛江人，本科，助教，广州工程技术职业学院，研究方向：电子信息