近年來，隨著電子技術的飛速發展，越來越多的家用電器進入人們的生活當中，成為日常工作生活的不可或缺的一部分；相應的各種功能的家用廚房電器也逐漸被廣泛使用。廚房電器的增加給人們的生活帶來便捷，但也不可避免的引發不少安全隱患。煤氣中毒、火災等安全事件時有發生，本設計系統通過多種傳感器檢測廚房各種參數，并把相應信息通過物聯網模塊遠程傳送給用戶，避免災難發生。

1   整體設計

基于STM32 的家庭互聯網檢測系統采用STM32F103CBT6[1] 單片機作為控制中心，通過多個傳感器讀取廚房環境中的溫度濕度、二氧化碳濃度、光照強度、有毒氣體濃度等參數，并將取得的數據值傳遞給單片機進行判斷，當超過閾值后，可通過NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）網絡模塊上傳警告信息，用戶不在家也可迅速接收警告信息，實現了遠程監控的效果。其中NB-IoT 平臺與阿里云服務器通信過程為平臺向服務器發送數據請求，并將數據以JSON 形式封裝后通過HTTP 的GET/POST 請求與云服務器進行數據交互，實現警告信息的傳送。具體硬件電路示意圖如下圖1 所示。

圖1硬件電路示意

2   硬件電路組成

2.1 STM32F103單片機

STM32F103 系列單片機是目前市場上常用的32位嵌入式處理器， 內核采用ARM Cortex? RISC 內核， 工作頻率支持72 MHZ， 支持閃存和SRAM。STM32F103CBT6 單片機標稱工作電壓為直流3.5 V，-40-+85 ℃的溫度范圍和-40-+105 ℃的擴展溫度范圍使得STM32F103 單片機廣泛應用于工控領域，豐富的USB、I2C、SPI、CAN 總線通信方式使得STM32103F系列單片機廣泛使用在醫療、工業應用、智能家電、智慧農業等領域。

2.2 NB-IoT聯網模塊

NB-IoT^[2]構建于窄帶（200 kHz）的蜂窩網絡，在優化LTE 通信協議和信令、向用戶分組添加傳輸信息、以空閑狀態發送分組的情況下，不需要業務請求即可建立直接連接來進行數據傳輸。NB-INT 采用了覆蓋強化技術，在相同頻率下比現有網絡增益提高了20 dB，即覆蓋能力提高了100 倍。支持大容量的接入設備，支持低延遲靈敏度，并且直接部署在諸如GSM 網絡、LTE網絡或UMTS 網絡之類的現有通信網絡中，以實現超低成本的平滑升級。模塊具有低功率消耗的特征，在省電模式下功率消耗為3.6 μA，終端的待機時間更長，模塊的成本低。本設計中NB-IoT 網絡模塊采用BC26網絡模塊。該模塊是高性能、低功耗、多頻帶LTE CatNB1/Cat NB2* 無線通信模塊。BC26 模塊尺寸緊湊，外部接口和協議棧豐富，適用于高內聚的應用系統當中。同時可支持中國移動OneNET/Andlink、中國電信IoT/AEP、華為Ocean Connect 以及阿里云等物聯網云平臺，為用戶的應用提供極大的便利。BC26 模塊工作電壓為直流2.1-3.63 V，典型值為3.3 V，正常工作溫度為-35-+75 ℃，擴展工作溫度：-40-+85 ℃，能夠滿足告警信息的遠程上傳工作，具體硬件電路連接示意圖如圖2 所示。

圖2 NB-IoT硬件連接示意

2.3 電源模塊

本設計中電源模塊采用的是明緯RD-50 A 型50 W雙組輸出開關電源號的電源。RD-50 A 型開關電源交流輸入電壓為88-264 V，可承受300 VA 浪涌輸入5 S 而無損壞，支持直流5 V 和直流12 V 雙路輸出，電壓精度分別為±2.0% 和±7.0%，可在-25℃～ +70 ℃環境下穩定輸出。同時本設計中采用可以向AM S1177-333 正向低壓下降穩壓器完成電壓的壓降，實現直流3.3 V 電壓的輸出，完成向STM 32F 103CBT6 宏處理器和NB 無線模塊等的供電。具體降壓電路圖如圖3 所示。

圖3 降壓電路

2.4 傳感器

2.4.1 氣體傳感器

本設計中采用Sensirion 公司生產的SGP30 傳感器完成廚房環境中二氧化碳濃度信息的采集。這個傳感器采用了CMOnes。技術提供完整的傳感器系統，同時實現單個芯片具有數字I2C 接口、溫度控制的微熱板和兩個預處理的室內空氣質量信號。SGP30 提供更詳細的空氣質量信息，可以實現二氧化碳（CO₂）和易失性有機化合物（VOC）含量的檢測工作。

此外，本設計中還采用煒盛公司生產的MQ135 氣體傳感器完成廚房環境有毒氣體的檢測。在空氣質量檢查過程中，氣體傳感器采用的感應材料是導電率低的二氧化錫材料，在環境中存在有害氣體的情況下，隨著有害氣體濃度的增加，二氧化錫的導電率上升，從而可以將導電率的變化轉換成電信號并輸出。MQ135氣體傳感器標稱工作電壓為+5 V，測試預熱時間不小于48H，具體測試電路如圖4 所示。

圖4 MQ135測試電路

2.4.2 溫濕度傳感器

本設計中采用的溫濕度傳感器^[3]為包含校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，該傳感器應用專用的數字模塊收集技術和溫濕度傳感器技術，實現了環境溫度和濕度的收集工作。DHCT11 型傳感器工作電壓范圍為3.3-5.5 V，溫度濕度測量范圍分別為：濕度20~90%RH、溫度0-50 ℃，測量精度為濕度±5%RH、溫度±2 ℃。這個精度可以滿足家庭廚房環境溫度濕度的測定要求。

2.4.3 光照強度傳感器

我們采用BH1750FVI 型光照傳感器來實現廚房環境光照強度的采集。這個光照傳感器是I2C 總線接口用的數字環境光傳感器芯片。光譜響應接近人眼反應、寬范圍、高分辨率（1-65535lx）、低電流切斷功能、低噪音抑制，不需要外部部件、對光源的依賴性小、光學窗影響的測量結果可調、測量誤差小、紅外的影響小等特點，可以在高分辨率下檢測大范圍的光照強度，受到廣大用戶的青睞。本設計才用該傳感器可以實現整個廚房中光照強度信息的采集和檢測，具體硬件連接電路圖如圖5 所示。

圖5 BH1750硬件電路

3   家庭互聯網檢測裝系統置軟件設計

3.1 服務器搭建

本設計中單片機接收到各類傳感器檢測的信息后經處理后通過NB-IoT 模塊上傳到阿里云服務器，上傳信息采用的是MQTT 通信協議，具體的MQTT 協議的實現方式如圖6 所示。

圖6 MQTT實現方式

3.2 主程序設計

Stm32 單片機初始化完成后對各類傳感器采集回傳后的數據進行加工處理，隨后與預先設置的閾值進行比較，當超過閥值后，單片機通過NB 模塊將告警信息上傳到阿里云，用戶通過云服務接收到告警信息后，進行后續的相關工作。具體程序設計流程如圖7(a,b,c) 所示。

圖7-a主程序流程

圖7-b主程序流程

圖7-c主程序流程

3.3 NB-IoT模塊程序設計

NB-IoT 模塊運行的程序流程如下：BC26 模塊在清空緩存后需要事先獲取卡號并完成激活網絡的工作，這部分工作主要在初始化程序中完成。隨后BC26 模塊需要連接UDP、創建TCP socket，并用這個方法與MQTT 阿里云服務器連接，完成數據的上傳工作。如果MQTT Al 云服務器連接成功，將開始MQTT 主題和MQTT 主題的發送。

4   結語

本文設計的家庭互聯網檢測裝置能夠完成家庭廚房溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度及有毒氣體的檢測和告警信息的發送工作，實現遠程監測家庭廚房環境的功能，能夠有效地避免家庭人員傷害及財產的損失，具有很好的實用價值。

參考文獻：

[1] STM32103F芯片手冊[s].

[2] 王明浩,吳韶波.基于智慧城市建設的NB-IoT應用研究[J].物聯網技術,2017,7(7):79-82.

[3] 呂衛,趙佳麗.一種低功耗高精度的NB-IoT溫度采集系統設計[J].傳感技術學報,2018,31(6):836-840.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年4月期）