趙 彬

智能油煙VOCs遠程采集控制設備設計

趙 彬

引言

VOCs（volatile organic compounds）是揮發(fā)性有機化合物的英文縮寫，其中餐飲業(yè)的油煙會產生大量VOC氣體，目前我國對餐飲油煙的VOCS濃度監(jiān)測大多按舊的標準進行實驗室監(jiān)測［1］，方法復雜周期較長，由于沒有行業(yè)標準，市面上一些監(jiān)測設備沒有對采集數(shù)據(jù)進行多次模型化校準處理，采集的結果不穩(wěn)定。針對以上問題，本文設計了一套油煙VOCS監(jiān)測設備，能夠實時監(jiān)測油煙VOCs濃度，同時采用自適應加權數(shù)據(jù)融合方法，提高數(shù)據(jù)準確性。

智能油煙采集控制設備架構

由于一般大型廚房的烹飪環(huán)境由多個排煙管和灶頭組成，因此需要監(jiān)測的點位多，且分散，為了更好在實際環(huán)境中應用，智能油煙采集控制設備采用總線式設計，由1個主機通過485擴展N個數(shù)據(jù)采集子機組成。系統(tǒng)拓撲圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

油煙監(jiān)測設備主機與從機通過485通訊，從機1安裝于凈化器前，從機2安裝于凈化器后，分別采集凈化器前后的油煙濃度。本系統(tǒng)最多支持3個油煙通道數(shù)據(jù)采集，即最多可帶6個從機。

監(jiān)測設備主機設計

油煙監(jiān)測主機是現(xiàn)場環(huán)境的核心處理部件，主要實現(xiàn)子機采集設備的油煙濃度數(shù)據(jù)處理，并分析控制邏輯決定是否開啟相應的凈化器并將超標報警數(shù)據(jù)記錄本地存儲空間，同時主機通過AT指令操作GPRS模塊，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)交互。主要硬件模塊由主機最小系統(tǒng)、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、直流穩(wěn)壓模塊、GPRS通訊模塊、485通訊模塊、液晶顯示模塊、繼電器輸出模塊和開關量反饋模塊組成，數(shù)據(jù)格式采用國家行業(yè)HJ/T212-2005標準［2］。

1.主機最小系統(tǒng)

油煙監(jiān)測設備主機采用STM32F103RC 32位嵌入式單片機作為核心MCU，STM32F103RC通過USART異步通信口與GPRS模塊連接，采用max485芯片實現(xiàn)485電路的擴展，同時MCU芯片的SPI口與W25Q128BV芯片連接擴展FLASH數(shù)據(jù)儲存保證歷史數(shù)據(jù)存儲量達1個月，此外通過2根IO口模擬I2C通信實現(xiàn)外圍高精度電子時鐘的擴展為系統(tǒng)提供時鐘，圖2是核心MCU最小系統(tǒng)圖，包括程序燒寫電路，系統(tǒng)復位電路。

圖2 主機最小系統(tǒng)原理圖

2.時鐘模塊

時鐘模塊使用SD2400芯片內置電池當外部VDD存在時內部電池休眠，VDD掉電采取內部電池供電［3］。數(shù)據(jù)通信接口采用I2C通信，為了節(jié)省單片機I0將SD2400寫允許管教WP直接接地，其硬件電路如圖3所示：

圖3 時鐘模塊硬件電路圖

3.數(shù)據(jù)存儲模塊

由于Flash存儲器擦寫、燒錄比較頻繁，且比較容易損壞，本系統(tǒng)存儲器采用Flash存儲器與鐵電存儲器共用的方式。其中數(shù)據(jù)存儲采用Flash存儲器（數(shù)據(jù)量大），系統(tǒng)配置參數(shù)使用鐵電存儲器（不易損壞）。

（1）鐵電存儲模塊

鐵電存儲模塊使用FM24CL04芯片［4］。FM24CL04是采用先進的高可靠性的鐵電材料加工制成的4K位的鐵電非易失性存儲器。鐵電隨機存儲器或FRAM是非易失性的，并且可以像RAM一樣的快速讀寫，它比EEPROM和其他非易失性記憶體系統(tǒng)可靠性更高，結構更簡單，功耗低等優(yōu)點。其硬件電路，如圖4。

圖4 鐵電存儲模塊硬件電路圖

（2）Flash存儲模塊

FLASH存儲模塊用W25Q128BV芯片，W25Q128BV是16M字節(jié)高性能串行Flash存儲器，每次操作必須256字節(jié)一頁，共65536頁［5］。支持標準、雙倍和四倍SPI，其中標準SPI用到CLK、CS、DI、DO、WP、HOLD管腳，雙倍SPI用到CLK、CS、IO0、IO1、WP、HOLD管腳。四倍SPI用到CLK、CS、IO0、IO1、IO2、IO3管腳。本方案子采用標準SPI通信，其硬件電路如圖5所示。按6個傳感器設計的話，1條數(shù)據(jù)100多個字節(jié)，存1頁，數(shù)據(jù)采取1分種記錄一次，因此整個空間可存儲65536/60/24=45天。

圖5 Flash存儲模塊硬件電路圖

4.繼電器輸出電路

風機開關由單片機IO控制繼電器線圈實現(xiàn)，繼電器線圈電壓5V，輸出帶載能力220VAC 5A。為了消除繼電器斷開對弱電干擾加了D2續(xù)流二極管［6］，該部分主要實現(xiàn)對凈化器的開關控制，系統(tǒng)根據(jù)采集的VOCS濃度對比閥值，當濃度超過閥值則開啟動凈化器，將油煙處理后再排向大氣，電路如圖6。

圖6 繼電器輸出電路圖

5.GPRS接口電路設計

GPRS模塊使用的是SIM900A，SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHZ和DCS 1800MHZ，GPRS編碼格式支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4［7］。硬件電路圖如圖7所示。

圖7 GPRS模塊硬件電路圖

從機硬件設計

油煙監(jiān)控從機主要由探頭外殼、油煙濃度采集板及485通訊線組成。油煙監(jiān)控從機硬件電路由從機最小系統(tǒng)、傳感器檢測模塊、直流穩(wěn)壓模塊和485通訊模塊組成。

1.從機最小系統(tǒng)

油煙監(jiān)測設備從機采用STC12C5A62S2單片機作為核心MCU，雖然該MCU具有內部復位電路，考慮到可靠性系統(tǒng)采用外部專門復位電路實現(xiàn)，單片機最小系統(tǒng)如圖8所示：

圖8 油煙監(jiān)控從機最小系統(tǒng)原理圖

2.傳感器檢測模塊

傳感器使用的是TGS2602，TGS2602不僅對香煙的煙霧或烹調臭味有很高的靈敏度，而且對硫化氫、VOC、氨氣有高靈敏度［8］。這種傳感器是利用相對值檢知來實現(xiàn)更接近人類感覺的控制，即以空氣清潔的時候為基準，通過傳感器電阻值比空氣清潔時變化了多少來檢測空氣的污染程度。單片機利用A/D處理，對TGS2602傳感器輸出的電壓信號進行轉換。轉換的數(shù)據(jù)與國際精準的儀器進行數(shù)據(jù)校準，自動調整自適應加權數(shù)，建立單獨計算模型，提高數(shù)據(jù)準確性。

圖9 自適應加權數(shù)據(jù)模型

3.從機的安裝

從機應安裝于煙道內，因此需要在煙道上開孔，然后將探頭裝入煙道，并固定在煙道壁上。一般將探頭安裝在煙道的側邊或者底邊，注意油煙的排放方向。

GPRS通信數(shù)據(jù)協(xié)議設計

主機與上位機的GPRS通信采用TCP/IP通信，主要通信包括兩種類型數(shù)據(jù)：遠程注冊，數(shù)據(jù)上傳協(xié)議如表1所示。

表1 GPRS通信協(xié)議

圖10 主機程序流程圖

主從機程序設計

1.主機程序流程圖如圖10

2.主機主程序

main（）

｛

Init（）；系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化；

while（1）

｛

PowerOffDataSave（）；系統(tǒng)掉電保存數(shù)據(jù)；

KeyManageAnd-Display（）；鍵檢測及屏顯示；

GPRSConnectPC（）；GPRS連接上位機軟件；

ProbeDataQuery（）；主機查詢從機數(shù)據(jù)；

ProbeDataManage（）；從機數(shù)據(jù)返回處理并保存；

GPRSSendData（）；主機向上位機發(fā)送油煙數(shù)據(jù)；

圖11 從機程序流程圖

GPRSRece-

DataManage（）；上位機指令處理；

｝

｝

3.從機程序流程圖，如圖11

4.從機主程序

main（）

｛

Init（）；系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化；

while（1）

｛

ProbeDataManage（）；油煙數(shù)據(jù)處理；

ProbeDataSend（）；向主機發(fā)送油煙濃度數(shù)據(jù)

｝

｝

結論

本文設計的油煙監(jiān)測設備已經成功應用在廈門湖里大型酒店中央廚房，系統(tǒng)不但能夠及時將廚房油煙污染數(shù)據(jù)發(fā)送到湖里環(huán)保局數(shù)據(jù)中心，為督促酒店在油煙排放前硬性要求加裝高效油煙凈化器提供依據(jù)，同時能夠根據(jù)油煙情況自動啟停凈化器，在一定程度上達到節(jié)能減排的效果，系統(tǒng)自運行以來穩(wěn)定可靠，以下是實際平臺界面圖。

圖12 平臺界面

（作者單位：廈門元谷信息科技有限公司）

［1］GB18483-2001.國家環(huán)保總局.飲食業(yè)油煙排放標準［S］.2001

［2］HJ/T212-2005.國家環(huán)?？偩?污染源在線自動監(jiān)測（監(jiān)控）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準［S］.2006

［3］深圳市興威帆電子技術有限公司.高精度實時時鐘-SD2400RAM（V2.2）.2008

［4］RAMTRON.FM24CL04DataSheet［R］.2005

［5］WINBOND.W25128BV_Rev_H.2013

［6］蔣敦斌，李文英.單片機與繼電器負載接口的抗干擾措施［J］.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2004（2）：83

［7］SIMCOM.SIM900A_HD_CN_V1.03.2010

［8］鐘建波.多傳感器信息融合技術的油煙檢測系統(tǒng)設計應用［J］.儀器儀表用戶.2010（3）：28-29