吳凱 杜選 陳思煒 肖世東

摘要：快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得人們對(duì)舒適生活有了更高的追求，智能廚房系統(tǒng)基于Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及人工智能技術(shù)正是由此而生。系統(tǒng)具備人臉識(shí)別功能以防止兒童誤入廚房造成意外，燃?xì)鈾z測(cè)功能以防止燃?xì)庑孤?，火焰檢測(cè)功能防止廚房火災(zāi)，溫濕度檢測(cè)功能防止食物發(fā)霉并且已初步在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)取得實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過移動(dòng)端的方式實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地對(duì)廚房信息的監(jiān)控，改善了生活方式，提高了生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能廚房；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；無線傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）05-0251-03

Research and Design of Intelligent Kitchen based on ZigBee

WU Kai ，DUXuan，CHEN Si-wei，XIAO Shi-dong

（Jiaxing University， Jiaxing 341000， China）

Abstract：The rapid development of Internet technology makes people have a higher pursuit of comfortable life. Intelligent kitchen system is based on Zigbee wireless networking technology， combined with sensor technology， Internet of Things technology and artificial intelligence technology. The system has the function of face recognition to prevent accidents caused by children entering the kitchen by mistake， the function of gas detection to prevent gas leakage， the function of flame detection to prevent kitchen fire， and the function of temperature and humidity detection to prevent food from mildewing. The system realizes the monitoring of kitchen information anytime and anywhere by means of mobile terminal， improves the life style and provides the quality of life.

Key words： intelligent kitchen；zigbee；internet of things；artificial intelligence；wireless sensor

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)上升到國家戰(zhàn)略層次以及各種相關(guān)政策的出臺(tái)，這一藍(lán)海技術(shù)領(lǐng)域漸漸在各行各業(yè)嶄露頭角，智能家居作為國家重點(diǎn)發(fā)展和扶持的九大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一有著十分廣闊的市場，而智慧廚房作為智能家居中重要的一環(huán)也有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

傳統(tǒng)廚房存在著諸多不可忽視的安全隱患，廚房失火，煤氣泄露，兒童誤入廚房被廚具餐具意外刺傷等新聞屢見不鮮，除了使用時(shí)加倍小心之外幾乎沒有任何有效的措施來預(yù)防并解決這些問題，而由于廚房隱患的隱蔽性，容易為人所忽視，因此此類事件引發(fā)的事故也往往是比較嚴(yán)重的。早期智慧家居的誕生依賴于有線組網(wǎng)，但是其復(fù)雜的布線，影響了家居的美觀性與舒適度，且針對(duì)廚房隱患并沒有切實(shí)有效的解決方案，故規(guī)避廚房隱患問題亟待解決。

基于Zigbee組網(wǎng)技術(shù)的智能廚房的出現(xiàn)，人們可以隨時(shí)隨地利用手機(jī)監(jiān)控廚房狀況以防止發(fā)生火災(zāi)，煤氣泄漏等意外事件，亦可以避免兒童擅入廚房亂動(dòng)廚具所引發(fā)的各種安全隱患，同時(shí)其無線特性對(duì)家居環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生絲毫美觀體驗(yàn)的影響且不需要復(fù)雜的布線技術(shù)與高昂的成本，不僅改善了家居生活方式，提高了生活質(zhì)量，更為大家的人身安全提供了保障[1]。

2 需求分析

由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有功耗低，節(jié)點(diǎn)支持量大等優(yōu)點(diǎn)[2]，故在智能廚房中，總體設(shè)計(jì)思路是將各種無線傳感器結(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接到Zigbee協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)[3]，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)通過串口與智能網(wǎng)關(guān)連接，智能網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)處理后接入現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，然后發(fā)送到遠(yuǎn)程智能手機(jī)終端，也可以通過智能手機(jī)隨時(shí)隨地的遙控監(jiān)測(cè)廚房的情況，如圖1所示，其中我們的產(chǎn)品主要功能有如下幾點(diǎn)：

1）通過攝像頭對(duì)人臉的捕捉進(jìn)行身份的鑒別，當(dāng)有人進(jìn)入廚房時(shí)，攝像頭會(huì)自動(dòng)對(duì)人臉進(jìn)行抓拍并分析該人員是否為用戶本人，若是，則開放廚房的使用權(quán)限，若不是則拒絕對(duì)廚房內(nèi)相關(guān)廚具的操作；同時(shí)，通過人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)進(jìn)入廚房人員進(jìn)行年齡的大致判斷，當(dāng)出現(xiàn)孩童進(jìn)入廚房時(shí)，則拒絕一切廚具操作功能以保障兒童的安全。

2）通過安裝在廚房內(nèi)的燃?xì)鉂舛葌鞲衅鲗?duì)廚房燃?xì)鉂舛刃畔⑦M(jìn)行時(shí)的收集與分析，并會(huì)將當(dāng)前濃度信息與系統(tǒng)設(shè)置的濃度安全閾值進(jìn)行比較，若出現(xiàn)燃?xì)鉂舛瘸^安全閾值，則會(huì)通過警報(bào)器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)打開風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)以降低室內(nèi)的燃?xì)鉂舛取?/p>

3）通過火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)廚房的火光進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)廚房出現(xiàn)過分明亮的火光時(shí)，能夠立刻發(fā)出警報(bào)以提醒用戶，以防止火災(zāi)的發(fā)生。

4）通過濕度傳感器對(duì)廚房濕度進(jìn)行時(shí)時(shí)采集與展示，防止因濕度過大而引起食物發(fā)霉變質(zhì)。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧廚房系統(tǒng)從傳輸過程上分為三部分：無線傳感節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和客戶端[4]。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖所示：

將各種無線傳感器結(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接到Zigbee協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)通過串口與智能網(wǎng)關(guān)[5]連接，智能網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)處理后接入現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，然后發(fā)送到遠(yuǎn)程智能手機(jī)終端，也可以通過智能手機(jī)隨時(shí)隨地的遙控監(jiān)測(cè)廚房的情況。

3.2 客戶端界面設(shè)計(jì)

如圖所示，智能廚房系統(tǒng)主要包括兩個(gè)主要部分。其中左側(cè)展示的是智能廚房的提示以及本系統(tǒng)所使用的一些主要的傳感器以及一些開關(guān)控制。主體部分主要是廚房傳感器的分布以及其相應(yīng)環(huán)境下的狀態(tài)，當(dāng)某一項(xiàng)檢測(cè)器置于打開狀態(tài)時(shí)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化并處于信息收集狀態(tài)，一旦檢測(cè)到超標(biāo)情況即發(fā)出警報(bào)以提醒用戶可能出現(xiàn)了安全隱患。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用，數(shù)據(jù)傳輸，并且保證一定的精度可以使系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)更加準(zhǔn)確的做出判斷。具體傳感器及其相應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

通過以上數(shù)據(jù)可以知道不同傳感器對(duì)應(yīng)的不同參數(shù)以及相應(yīng)的權(quán)限，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可操作性做好規(guī)劃。

4詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1無線傳感器硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用如下幾種傳感器：火焰?zhèn)鞲衅?，溫濕度傳感器：可燃?xì)怏w傳感器、聲光報(bào)警傳感器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)傳感器。此處以溫濕度傳感器為例介紹無線傳感器的工作原理。

溫濕度傳感器工作原理為：在傳感器基片上覆蓋一層感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上后，感濕原件會(huì)發(fā)生電阻率與電阻值的改變利用這一特性即可測(cè)量濕度。而根據(jù)不同金屬會(huì)根據(jù)不同的溫度產(chǎn)生不同電阻值這一特點(diǎn)，將電阻值作為輸出信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量[6]。

4.2無線節(jié)點(diǎn)工作流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的CC2530 無線節(jié)點(diǎn)采用 CC2530 ZigBee 處理器，基于ZStack這一提供基于 OSAL 操作系統(tǒng)的無線自組網(wǎng)功能的協(xié)議棧[7]，首先以CC2530為核心的無線通信產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)產(chǎn)品中能夠保證一定的穩(wěn)定性，且CC2530文檔全面并能夠完美的支持Zstack協(xié)議棧如圖所示：

4.3移動(dòng)客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的移動(dòng)客戶端工程架構(gòu)如圖：

5 結(jié)語

本項(xiàng)目是基于ZigBee智慧廚房研究與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接多種傳感器至ZigBee協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，經(jīng)過智能網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)處理后接入現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，后在移動(dòng)端進(jìn)行廚房信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)火焰?zhèn)鞲衅?，溫濕度傳感器等無線傳感器反饋的數(shù)據(jù)來判斷廚房的實(shí)施情況，當(dāng)發(fā)生意外事件時(shí)能夠利用報(bào)警器，風(fēng)扇等裝置來發(fā)出警報(bào)開窗通風(fēng)以避免人員傷亡從而提高生活的安全性。

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