【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】智能厨房安全报警器

alanlan86

【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】智能厨房安全报警器 [复制链接]

<i class="pstatus"> 本帖最后由 alanlan86 于 2024-1-15 00:28 编辑 </i>

## 智能厨房安全报警器

# 一、作品简介

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

(图-左 报警部分 图-右 传感器监测部分)

## 功能简述
- 本项目设计的报警器由两部分组成：
- A、气体监测部分（通常安装在厨房或靠近燃气灶位置），通过气体传感器和温度传感器对厨房的环境参数进行监测，然后在监测到参数异常状况时，本地端发出蜂鸣器报警，以便现场人员察觉燃气泄露危险。同时，通过低功耗蓝牙BLE向报警器控制阀端发送告警消息，并通过WiFi向远程端以邮件消息发送告警状况。

- B、燃气报警控制阀（通常安装在燃气进气位置），通过收到燃气监测部分的告警，执行阀门关闭动作。直到危险被排查撤销，确保现场人员人身安全。

## 实现简介
- A、气体监测部分，采用RP2040 Pico W作为核心主控板，并充分发挥Pico W上的WiFi和蓝牙功能，进行了本地告警控阀和远程发送告警邮件方式进行提示。另外，系统搭配了MQ2气体监测模块、模拟温度采集模块，作为传感器监测前端。通过OLED显示屏进行系统数据及状态的显示，通过蜂鸣器进行声音告警。

- B、燃气阀控部分，采用ESP32-C3 XIAO的板子作为主控，兼顾利用底板上的控制IO和蜂鸣器做为控阀的示意演示。

# 二、系统框图
- 本系统框图，如下所示。

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

- 本项目系统框图，分为燃气监测报警器和控制阀门两个部分。燃气监测报警器用到5个电路模块。控制阀门部分采用ESP32-C3 XIAO及其底板。

# 三、各部分功能说明
## 硬件部分

### A、核心主控Pico W
RP2040的Pico系列板子是一个非常适合极客和爱好者入手设计的开发板。
Raspberry Pico W 和 Pico WH 在PICO的基础上添加了WIFI功能，使用英飞凌（Infineon）CYW43439 添加了板载单频2.4GHz 无线接口 (802.11n)，同时保留了 Pico 外形。板载2.4GHz无线。

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

- 接口具有以下特点：
1. 无线 (802.11n)，单频段 (2.4 GHz) 
2. WPA3
3. 最多支持四个客户端的软接入点

该天线是从 ABRACON（ProAnt）获得许可的板载天线。无线接口通过SPI连接到RP2040微控制器。
由于管脚限制，部分无线接口管脚是共用的。 CLK与VSYS共用，因此只有当没有正在进行的 SPI传输时，才能通过ADC读取 VSYS。 Infineon CYW43439 DIN/DOUT 和 IRQ 在 RP2040 上共享一个引脚。只有当 SPI 事务未在进行时才适合检查 IRQ。该接口通常以33MHz 运行。
为获得最佳无线性能，天线应位于自由空间中。例如，将金属放在天线下方或附近会降低其增益和带宽性能。在天线两侧添加接地金属可以提高天线的带宽。

PicoW相关介绍数据手册链接：[Pico W Datasheet](https://datasheets.raspberrypi.com/picow/pico-w-datasheet.pdf "Pico W Datasheet")

------------

### B、MQ2气体传感器

![](https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove-Gas_Sensor-MQ2/img/Twig-Gas_Sensor.bmp)

Grove-气体传感器（MQ2）模块可用于气体泄漏检测（家庭和工业）。它适用于检测H2、LPG、CH4、CO、酒精、烟雾或丙烷。由于其高灵敏度和快速响应时间，可以尽快进行测量。传感器的灵敏度可以通过电位计进行调整。
**特征**
1. - 检测范围广
2. - 稳定且寿命长
3. - 快速响应和高灵敏度

**应用**
应用MQ2传感器比较重要的因素是需要考虑传感器校准和气体浓度的换算。因此需要先在洁净的空气环境下，进行气体基线阻值的校准，然后在正常环境使用时，再进行斜率换算，从而求得PPM的值。

![](https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove-Gas_Sensor-MQ2/img/Gas_sensor_1.png)

根据图表，我们可以看到，传感器可以测试的最小浓度是100ppm，最大浓度是10000ppm，换句话说，我们可以得到0.01%到1%之间的气体浓度。从图可知，比率和浓度之间的关系是非线性的，所以需要用函数进行拟合。

相关链接：[MQ2气体传感器资料](https://wiki.seeedstudio.com/Grove-Gas_Sensor-MQ2/ "MQ2气体传感器资料")

------------

### C、温度传感器
![](https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove-Temperature_Sensor/img/Temperature1.jpg)

Grove-Temperature传感器使用热敏电阻来检测环境温度。当环境温度降低时，热敏电阻的电阻将增加。这就是我们用来计算环境温度的特性。该传感器的检测范围为-40-125ºC，精度为±1.5ºC。
**特性**
1. 电压：3.3~5V
2. 25℃时的最大额定功率：300mW
3. 零功率电阻：10KΩ
4. 工作温度范围：-40～+125℃

**应用**
电阻式温度传感器的硬件设计比较简单，若需要求得相对准确的温度值，则需要对非线性的电阻与温度关系进行拟合计算，从而通过阻值的测量推到得到相对准确的环境温度值。

相关链接：[温度传感器模式资料](https://wiki.seeedstudio.com/Grove-Temperature_Sensor/ "温度传感器模块资料")

------------

### D、OLED显示屏幕
Grove-OLED显示器0.96英寸（SSD1315）是一款带有Grove I2C接口的128×64像素单色（白色）无源显示矩阵模块。得益于新的SSD1315芯片，它可以在3.3V下工作，因此我们去掉了昂贵的DC-DC升压电路。通过板载电平转换电路，新的Grove-OLED显示器0.96“可以在3.3V和5V平台上工作。也就是说，你可以很容易地将其用作Arduino OLED显示器、Raspberry Pi OLED显示器等。
**特色**
1. 3.3V/5V兼容
2. 可变I2C地址
3. 低功耗
4. 单色（白色）128×64像素
5. 高对比度、高亮度
6. 工作温度范围广：-40℃～+85℃

![](https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove-OLED-Display-0.96-SSD1315-/img/Grove-OLED-Displey-0.96-SSD1315-wiki.jpg)

相关链接：[OLED屏幕模组资料](https://wiki.seeedstudio.com/Grove-OLED-Display-0.96-SSD1315/ "OLED屏幕模组资料")

------------

### E、蜂鸣器

![](https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove_Buzzer/img/buzzer_s.jpg)

Grove-Buzzer模块有一个压电蜂鸣器作为主要部件。压电元件可以连接到数字输出，当输出为HIGH（高）时会发出音调。或者，它可以连接到模拟脉宽调制输出，以产生各种音调和效果。

相关资料链接：[蜂鸣器资料](https://wiki.seeedstudio.com/Grove-Buzzer/ "蜂鸣器资料")

------------

### F、ESP32-C3 XIAO
![](https://files.seeedstudio.com/wiki/XIAO_WiFi/board-pic.png)

Seeed Studio XIAO ESP32C3是一款基于Espressif ESP32-C3 WiFi/蓝牙双模芯片的物联网迷你开发板。
- ESP32-C3是一款32位RISC-V CPU，它包括一个用于32位单精度运算的FPU（浮点单元），具有强大的计算能力。它具有出色的射频性能，支持IEEE 802.11 b/g/n WiFi和蓝牙5（LE）协议。此板附带一个外部天线，可提高无线应用程序的信号强度。它还有一个小而精致的外形因素与单面表面可安装的设计相结合。
- 它配备了丰富的接口，有11个数字I/O可以用作PWM引脚，4个模拟I/O可以用作ADC引脚。它支持UART、I2C和SPI四种串行接口。板上还有一个小的重置按钮和一个引导加载程序模式按钮。

### 特征
- 强大的CPU:ESP32-C3，32位RISC-V单核处理器，工作频率高达160 MHz
- 完整的Wi-Fi子系统：符合IEEE 802.11b/g/n协议，支持Station模式、SoftAP模式、SoftAP+Station模式和混杂模式
- 蓝牙LE子系统：支持蓝牙5和蓝牙网格的功能
- 超低功耗：深度睡眠功耗约为43μA
- 更好的射频性能：包括外置射频天线
- 电池充电芯片：支持锂电池充放电管理
- 丰富的片上资源：400KB的SRAM和4MB的板载闪存
- 超小尺寸：小到拇指（20x17.5mm）XIAO系列适用于可穿戴设备和小型项目的经典外形
- 可靠的安全功能：支持AES-128/256、Hash、RSA、HMAC、数字签名和安全引导的加密硬件加速器
- 丰富的接口：1xI2C、1xSPI、2xUART、11xGPIO（PWM）、4xADC、1xJTAG焊盘接口
- 单面组件，可SMT设计
相关链接：[ESP32-C3 XIAO相关资料](https://wiki.seeedstudio.com/XIAO_ESP32C3_Getting_Started/ "ESP32-C3 XIAO相关资料")

## 软件部分
- 本系统的软件开发采用的是micropython进行设计，主要分传感器监测部分代码和通信部分代码。
- 传感器应用部分主要需要考虑MQ2气体传感器的校准和标定。然后温度传感器需要通过电压进行阻值计算及非线性推导。
- 通信部分，有BLE通信以及WiFi通信，SMTP进行邮件发送两个核心部分。
- 其他，就是OLED显示和蜂鸣器驱动等较简单的部分。

### 传感器监测部分：
#### （1）传感器采集部分
**A、气体传感器**
MQ2气体传感器采用上电时刻在洁净空气环境下，采集100次传感器电压求平均，然后除以换算比率9.8，从而得到传感器阻值R0。
```python
def gasSensorCalibration():
    RS_air = 0
    R0 = 0
    sensor_voltage = 0
    sensor_sum_val = 0
    sensor_avg_val = 0
    
    for i in range(100):
        #Gas Sensor ADC
        sensor_val = sensor.read_u16()
        sensor_sum_val += sensor_val

sensor_avg_val = sensor_sum_val/100
    sensor_voltage = (sensor_avg_val*sensor_vcc)/65535
    RS_air = (sensor_vcc - sensor_voltage)/sensor_voltage
    R0 = RS_air/9.8
    print("Gas Sensor R0=", R0) #0.078
    sleep(3)
return R0
```

在应用时，可以通过ADC获取传感器的电压，从而求得计算比率，从而可以换算出空气浓度ppm值。
```python
        #Gas Sensor ADC
        sensor_val = sensor.read_u16()
        #print("gas adc val=", sensor_val)
        sensor_vol = (float)(sensor_val*sensor_vcc)/65535  #sample sensor output voltage
        #print("gas sensor vol=", sensor_vol)
        RS_gas = (sensor_vcc - sensor_vol)/sensor_vol
        #print("gas sensor RS=", RS_gas)
        ratio = RS_gas/sensor_R0
        print("gas sensor Ratio=", ratio)
```

**B、温度传感器**
- 针对电阻式温度传感器，通过ADC获得ADC值，并换算出电压值和电阻值，然后通过B值公式（对数公司）进行求解温度值。
```python
#Temperature ADC
val = temperature.read_u16()
#print("temperature adc val=", val)
resistance=(float)(65535-val)*10000/val
#print("resistance=", resistance)
bValue=3975
tempval = round((float)(1 / (math.log(resistance / 10000) / bValue + 1 / 298.15) - 273.15), 2)
print("temperature=", tempval);
```
**C、显示及蜂鸣器**
OLED显示代码通过调用ssd1306驱动库，即可以完成字符显示。
```python
#OLED Display
oled.fill(0)  # clear
oled.text("GasSensor", 0, 0)
oled.text("gas:" + str(ratio), 0, 16)
oled.text("temp:" + str(tempval), 0, 24)
oled.show()
```
蜂鸣器鸣叫函数，传入鸣叫次数，即可实现鸣叫。
```python
def beepAlarm(cnt):
    for i in range(cnt):
        buzzer.on()
        utime.sleep(0.25)
        buzzer.off()
        utime.sleep(0.25)
buzzer.off()
```

#### （2）通信部分
**A、WiFi联网**
WiFi是通过调用network库实现，通过connect以及状态查询得到联网结果，并将IP地址进行输出。
```python
# 网络密码
ssid = "Your-SSID"
password = "Your-PASSWORD"
# 联网
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
wlan.connect(ssid, password)

# Wait for connect or fail
max_wait = 10
while max_wait > 0:
    if wlan.status() < 0 or wlan.status() >= 3:
        break
    max_wait -= 1
    print("waiting for connection...")
    time.sleep(1)
# Handle connection error
if wlan.status() != 3:
    raise RuntimeError("network connection failed")
    while True:
        buzzer.on()
        sleep(0.1)
        buzzer.off()
        sleep(0.1)
else:
    print("connected")
    status = wlan.ifconfig()
    print("ip = " + status[0])

sleep(3)
```

**B、邮件发送**
发送邮件部分功能，通过umail库调用smtp实现邮件的发送。关于该部分应用可以详细参考我此前写的应用帖子：
[smtp发送邮件消息应用](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1247785-1-1.html "smtp发送邮件消息应用")
```python
def smtpMailSend(tag, alarmstate, temperature, gas):
    smtp = umail.SMTP('smtp.qiye.aliyun.com', 465, ssl=True) # aliyun mail's SSL port
    smtp.login('XXXXX', 'XXXXX')
    smtp.to('XXXXXX@qq.com')
    smtp.write("From: Home Sensor Device Msg" + str(tag)+ " <xxxx@xxxx.com>\n")
    #smtp.write("To: Home Master <ABC@XXXX.com>\n")
    smtp.write("To: Home Master <XXXX@XXX.com>\n")
    smtp.write("Subject: MicroPython+Pico W->SMTP/IMAP email message\n\n")
    if (alarmstate == 0):
        smtp.write("Gas Sensor Alarm!Emergency!\n")
    elif (alarmstate == 1):
        smtp.write("Temperature Sensor Alarm!Warning!\n")
    else :
        smtp.write("Home Sensor Alarm!Emergency!\n")

smtp.write("The temperature of your home is " + str(temperature) + "\n")
    smtp.write("The gas concentration of your home is " + str(gas) + "\n")
    smtp.write("...\n")
    ret = smtp.send()
    print(ret)
smtp.quit()
```
**C、BLE数据通信**
蓝牙通信功能是通过bluetooth库实现，同时调用了BLEUART封装后的库，通过简单的write可以实现数据发送。通过on_rx()回调，采用read()接口读取接收到的数据。
```python
#Bluetooth
import bluetooth
from ble_uart_peripheral import BLEUART
......
#bluetooth creat and regist rx event
ble = bluetooth.BLE()
uart = BLEUART(ble)

def on_rx():
    print("rx: ", uart.read().decode().strip())
uart.irq(handler=on_rx)
......

#Send data to BLE Central
uart.write("temp:" +str(tempval))
uart.write("gas:"  +str(ratio))
```

**D、阀门控制部分**
ESP32-C3 XIAO的板子是Follow M3 第三期的应用板子。通过Arduino（NimBLE）+PlatformIO开发集成环境，可以比较快捷实现与燃气监测部分进行数据联动。
关键部分代码：
```python
#define SERVICE_UUID "6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
#define CHAR_UUID    "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
/** Define a class to handle the callbacks when advertisments are received */
class AdvertisedDeviceCallbacks: public NimBLEAdvertisedDeviceCallbacks {

void onResult(NimBLEAdvertisedDevice* advertisedDevice) {
        Serial.print("Advertised Device found: ");
        Serial.println(advertisedDevice->toString().c_str());
        //if(advertisedDevice->isAdvertisingService(NimBLEUUID("DEAD")))
        if (advertisedDevice->getName() == "mpy-uart")  ##根据从机名字发起链接
        {
            Serial.println("Found Our Service");
            /** stop scan before connecting */
            NimBLEDevice::getScan()->stop();
            /** Save the device reference in a global for the client to use*/
            advDevice = advertisedDevice;
            /** Ready to connect now */
            doConnect = true;
        }
    };
};

/** Handles the provisioning of clients and connects / interfaces with the server */
bool connectToServer() {
.....#省略中间部分代码#......

/** Now we can read/write/subscribe the charateristics of the services we are interested in */
    NimBLERemoteService* pSvc = nullptr;
    NimBLERemoteCharacteristic* pChr = nullptr;
    NimBLERemoteDescriptor* pDsc = nullptr;

pSvc = pClient->getService(SERVICE_UUID);  //蓝牙服务
    if(pSvc) {
        pChr = pSvc->getCharacteristic(CHAR_UUID); //notify特征值
}

void notifyCB(NimBLERemoteCharacteristic* pRemoteCharacteristic, uint8_t* pData, size_t length, bool isNotify)
{
   //处理燃气监测上报的传感器数值
}
```

相关链接：[ESP32-C3 XIAO实现蓝牙Central功能](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1267879-1-1.html "ESP32-C3 XIAO实现蓝牙Central功能")

### （3）功能调试
A、气体监测报警器与执行控制阀

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

B、传感器数值

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

C、相关串口Log及传感器数据

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

D、邮件消息告警

<ignore_js_op>

</ignore_js_op>

------------

## 四、作品源码
源码部分：

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" class="loginf">micropython-源码.zip</a>

<em class="xg1">(8.99 KB, 下载次数: 0)</em>
</span>
<div class="tip tip_4" id="attach_774421_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="tip_c xs0">
<div class="y">2024-1-15 00:19 上传</div>
点击文件名下载附件
气体监测报警
</ignore_js_op>

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" class="loginf">BLENUSClient.zip</a>

<em class="xg1">(1.37 MB, 下载次数: 0)</em>
</span>
<div class="tip tip_4" id="attach_774422_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="tip_c xs0">
<div class="y">2024-1-15 00:20 上传</div>
点击文件名下载附件
蓝牙阀门控制
</ignore_js_op>

- ps:需要注意WiFi及邮箱信息，请根据自己的测试情况进行修改！

## 五、作品功能演示视频

[演示视频](https://training.eeworld.com.cn/video/38976 "演示视频")

<div id="player_974cb3927eab3e588d497b2bad3215650" class="localvideo-box"></div><div class="localvideo-title">智能厨房报警器</div><br/>

<div id="player_514795e08a7c5c128d15366524dbe68c2" class="localvideo-box"></div><div class="localvideo-title">演示2-传感器调试</div><br/>

<div id="player_bcd951c4ffc63b7bccaf98c75a1939153" class="localvideo-box"></div><div class="localvideo-title">演示3-传感器调试校准</div><br/>

题外话：被Jianying恶心到了。。。添加的视频还限制数量，添加的音频只能3个，非要求VIP用户！！！

## 六、项目总结
本项目的设计具有2个无线互相通信的模块，也是增加了相关的趣味性及技术知识的扩展性。后续还可以从传感器的可靠性（不误报）、低功耗设计等方面继续完善！

其他相关帖子汇总：
https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1268590-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1261229-1-1.html

## 七、其他

感谢EEWorld&得捷电子提供平台及机会，这已经是我个人的第二次参加创意大赛了，感觉今年比去年大家太内卷了，各个项目的设计复杂度和难度都比之前高。有些结构件的完善（现成度）都非常高！
最后，祝比赛越办越好！大家有越来越多的交流及动手机会！

okhxyyo

赞！今天真是看过瘾啦，好多小伙伴提交作品呀~都非常精彩

【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】智能厨房安全报警器 [复制链接]

最新回复