摘 要：为使监管部门及商家能够实时监测厨房内油烟的排放量，本文设计开发了一种油烟在线检测系统。系统选用STM32系列单片机作为主控芯片，通过 TGS2602气体传感器、DHT22 温湿度传感器，CAN总线等模块完成现场信息的采集。为确保系统实时性，采用GPRS无线传输模块将数据上传至服务器，使得监管部门可通过互联网实时获取目标商家的油烟排放情况。本系统可同时检测多个灶台烟道内的油烟浓度，测量精度高，可靠性强并可满足系统的实时性要求。
关键词：油烟在线检测；气体传感器；CAN 总线；GPRS
0 引言
随着经济日益的发展，我国人民的生活水平逐步提高，人民对于饮食口味的要求逐渐增强，这使得餐饮业快速发展。然而花样繁杂的中餐制作过程势必少不了过油，猛火的帮助，这就导致了油烟的污染问题；另一方面，国家对于空气环境方面的改进，也逐渐成为我国发展的要点。
国外由于饮食方式的大多少油，所以油烟方面的污染较低，相关研究较少。国内以往的检测油烟方法是将油烟采样带回实验室，进行物理实验分析，使用检气管法或者用红外技术进行检测，这类繁杂的人工监测方式已经无法满足现状，因此一款实时油烟检测系统的实现变得尤为重要。
文中在此背景下设计了一种面向监管部门及商家使用的油烟在线监测系统。结合实际业务需求，采用STM32407系列单片机作为主控制器，通过各类传感器采集现场的包括油烟值，环境温度，湿度等多项数据。为确保系统实时性，通过使用GPRS无线通讯的方式将数据上传至服务器并保存在数据库内，使得商家及监管部门通过访问Web应用的方式进行监管。这样可以提高了环保部门对城市环境的综合监控能力，具有显著的社会与经济效益。
1 系统的总体设计
本系统由数据检测、数据处理及通讯、服务器与人机交互四层结构组成。
数据检测模块放置在烟道净化装置之后，主要由气体传感器，温、湿度传感器，AD转换模块和CAN总线模块四部分组成。其中AD模块用于将气体传感器检测得出的模拟量转换为数字量，CAN 总线模块用于将上述数字量传输至放置在食堂或餐厅的数据通讯模块。
基于微处理器的数据通讯模块，将CAN总线接收到的油烟检测节点数据信息进行处理，并通过使用串口发送AT指令驱动 GRPS模块将数据实时上传至服务器，同时提供定位功能。
本系统预留出与网站、APP交互的接口，监管部门及商家用户可通过登录访问服务器监控网站或者使用手机 APP 的方式，来实时获取商家的油烟值浓度。系统总体架构如图1所示。
图1 系统总体结构图
2 油烟监测系统的硬件设计
2.1 气体检测模块
油烟中所含成分十分复杂。大致分为3种：一是分子质量和直径都足够大的固态颗粒；二是其质量和直径产生的重力小于空气浮力的固态小颗粒；三是气态物质，主要来源于煤、液化气等可燃物燃烧产生的碳氧化物等有害气体，多数为烃类，酮类长期接触这些污染物会对人体造成DNA氧化损伤和脂质过氧化反应。文中出于综合考虑并根据国家标准决定使用油烟中气态物的含量来衡量油烟浓度。
气态物的检测采用 TGS2602 型号传感器，此传感器性能稳定、优点众多：功耗小、对烹饪气体、成本低、稳定性好、应用电路简单。被检测气体的浓度越高，传感器元件的电导率也会随之增加，利用导电率的变化即可推导出与之相对应的气体浓度变化。
检测部分电路总电源电压为5V，而气体传感器的测量电压需要恒定的2.5V，所以在本文的设计中使用了恒压芯片TL431cdr，将5V电压降到稳定的2.5 V供传感器使用。当气体浓度发生变化后测量电阻的阻值也随之改变，由于负载R7在分压后所得电压过小，不便于进一步处理，所以加入了电压跟随器与放大电路将其放大2倍后，再将电压值传输至微处理器进行处理。具体设计如图2所示。
图2 传感器检测电路原理图
2.2 温湿度检测模块
在此系统中在油烟气体浓度与温度值之间有着对应关系，油烟浓度的判断需要温度和湿度作为参考，同时还可以通过温湿度的变化来观察商家是否已使用该检测设备，若设备未启用，则温湿度值不会发生改变。
对于环境温湿度的测量，本系统使用了DHT22传感器，该传感器集温湿度测量和A/D转换于一体，可直接输出数字量，传输距离远，硬件电路结构简单，与主控制器接口几乎不需要外围元件。测量范围是湿度 0~1，温度 20~80 ℃，适用于油烟气体环境中，测量精度高。
2.3 CAN总线通讯模块
由于油烟采集终端与油烟设备距离较远，同时又需要检测多个目标的油烟数据，所以在本文的设计中将各个检测终端使用 CAN 总线进行连接。数据接收端在CAN总线上收集各个终端的数据采集结果。
本系统中的CAN总线通信模块，符合ISO11898标准。采用ADM3053模块，内部集成了DCDC转换器，省掉了光耦隔离，不仅可以隔离单片机与油烟检测探头通信的信号和电源，而且可以节省资源。CAN 总线接口电路如图3所示。
图3 CAN总线接口电路
2.4 电源模块
系统的供电情况较为复杂，需要给微处理器、无线通信模块和传感器检测部分提供不同的工作电压，才能使各个模块能够正常稳定的工作。
系统中微处理器STM32F407的工作电压范围为1.8~3.6 V，一般情况下的工作电压通常为3.3V，传感器检测模块和CAN总线通信模块的工作电压为5V。针对以上需求为保证各个模块能够稳定工作，系统电源设计为：外接12V 电压保证各个模块供电充足，降压至5V分别给传感器模块和通讯模块供电，再由5V降3.3V为微处理器供电。电源供电结构如图4所示。
图4 电源电路结构图
针对12V转5V电压的实际需求，在本文的设计中选用了的开关稳压电源L5973D。跟以往的线性稳压电源不同，开关稳压电源 L5973D功率消耗低，体积小，大大减小了散热片和 PCB板的体积，提高了稳压电源的输入电压；并且该芯片还具有的热关断和内部电流限制功能，安全地保护了电路。
L5973D降压芯片可调节电压范围为1.235~35V，芯片5引脚为基准稳压 VFB=1.235V。此芯片可根据调整分压电阻的阻值来设置不同的输出电压，电路中分压电阻R28和R29，分别设计为10kΩ和 3.3 kΩ。具体如图5所示。
图5 L5973D电源电路
根据上图电路可推导得出公式：
进而计算 Vout = 4.977V，该电压直接供电给CAN总线使用。
针对STM32 微处理器3.3 V的工作电压需要，在本文的设计中选用了AMS1117-3.3稳压芯片。该芯片是一个线性可调的三端稳压器，内置过热保护和过流保护，保证电路的稳定，可将电压由5V降低至稳定的3.3V。电源电路设计如图 6所示。
图6 AMS1117-3.3电源电路
无线通信模块SIM868的工作电压范围为 3.4~4.4 V，系统中输入电压为5V。由于模块自带降压芯MIC29302WU，输出可调电压4V，无需外接电路SIM868即可正常工作。
3 系统的软件设计
系统软件设计主要分为3部分，依次为数据采集部分，CAN总线通讯部分和 GPRS通讯部分。系统中所有的软件设计工作均在 Keil MDK-ARM 开发环境中由C语言编写完成。
3.1 数据采集模块软件
数据采集部分由内置AD转换功能的STM32F405作为主控制器。在系统完成初始化后启动定时器周期性的触发中断，以此来获取温湿度传感器测得的数字量与气体传感器测得的电压值模拟量。对气体传感器测得的电压值进AD转换得出相应的数字量后，驱动CAN总线将数据发送至数据接收端。程序流程如图7所示。
图7 数据采集程序设计流程图
3.2 CAN总线通讯模块软件设计
当数据采集模块完成一次数据的获取与处理后驱动ADM3053进行数据发送。其中CAN协议报文格式采用ISO11898标准，报文由帧起始，仲裁段，控制段，数据段，CRC段，ACK 段和帧结束组成。其中数据段为8个字节，发送的数据依次为油烟值，温度值，工作状态，电压值和电流值。
3.3 GPRS通讯模块软件设计
系统中的GPRS通讯功能是由STM32F407通过串口发送AT指令来驱动无线通信模块 SIM868实现的。当通过AT指令，使SIM868模块与服务端成功建立TCP连接后，将SIM868模块设置为透传模式。当模块进入透传模式后将不再接收任何AT指令，而是专注于处理 STM32 的串口数据，SIM868不再对数据做任何处理。透传模式不仅提高了系统运行效率同时也大大方便了在数据通讯过程的中的软件设计工作。
在模块进行TCP连接后，若连接不成功则重新进行连接；若连接成功，则发送采集到的数据传输至服务器端，同时开启串口中断接收模块的返回值，并判断返回值是数据还是命令；若返回值为数据则启用接收，若为命令，则根据命令号结合相应结构体处理命令。具体AT指令如表1所示，通讯流程图如图8所示。
图8 GPRS 通讯设计流程图
4 实 验
该系统实物图如图 9所示。
图9 油烟检测实物图
为验证该油烟系统的可行性，做了如下实验: 将检测模块在正常空气中启动，启动 GPRS与配套上位机服务器相连观察各相检测数据。系统运行稳定，上位机数据显示界面如图10所示。
图10 空气中检测数据
5 安科瑞AcrelCloud3500餐饮油烟监测云平台
为了弥补现存餐饮行业在烟油监测上的漏洞，同时便利监管部门的监察，安科瑞油烟监测云平台应运而生。油烟监测模块通过2G/4G与云端平台进行通信和数据交互，系统能够对企业餐饮设备的开机状态、运行状态进行监控；实现开机率监测，净化效率监测，设施停运告警，待清洗告警，异常告警等功能；对采集数据进行统计分析、排名等统计功能；较之传统的静电监测方案，更具安全性和实效性。平台预留与其他应用系统、设备交互对接接口，具有很好的扩展性。
5.1平台结构
平台GIS地图采集餐饮油烟处理设备运行状态和油烟排放的浓度数据，自动对超标排放及异常企业进行提示预警，监管部门可迅速进行处理，督促餐饮企业整改设备，并定期清洗、维护，实现减排环保，不扰民等目的。现场安装监测终端，持续监测油烟净化器的工作状态，包括设备运行的电流、电压、功率、耗电量等等，同时结合排烟口的挥发性物质、颗粒物浓度等进行对比分析，一旦排放超标，系统会发出异常信号。
■ 油烟监测设备用来监测油烟、颗粒物、NmHc等数据
■ 净化器和风机配合对油烟进行净化处理，同时对净化设备的电流、电压进行监测
■ 设备通过4G网络将采集的数据上传至远程云端服务器
5.2 平台主要功能
(1)在线监测
对油烟排污数据的监测，包括油烟排放浓度，颗粒物，NmHc等数值采集监测；同时对监控风机和净化器的启停状态、运行数据进行监测。
(2)告警数据监测
系统根据采集的油烟数值大小，产生对应的排放超标告警；对净化器的运行数据分析，上传净化设备对应的运行、停机、故障等告警事件。
(3)数据分析
运行时长分析，离线分析；告警占比、排名分析；历史数据统计等。
(4)隐患管理
系统对采集的告警数据分析，产生对应的隐患记录，派发、处理隐患，及时处理告警，形成闭环
(5)统计分析
包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块
(6)基础数据维护
个人信息、权限维护，企业信息录入，对应测点信息录入等
(7)数据服务
数据采集，短信提醒，数据存储和解析
5.3油烟监测主机
油烟监控主机是现场的管理设备，实时采集油烟浓度探测器和工况传感器的信号，进行数据处理，通过有线或无线网络通讯将数据传输到服务器平台。同时，对本地数据进行存储，监控现场设备状态，提供人机操作界面。
具体技术参数如下：
5.4 设备选型方案
注：双探头适合双排烟通道的场合，每路探头监测1路排烟通道。
6 结论
经测试该硬件系统与服务器间通信正常，数据传输稳定，上位机可实时获取各相检测数据。设备使用方便，准确度高，具有较高的应用价值。
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