基于物联网的智能厨房安全监测系统-硬件部分

CSDN话题挑战赛第2期
参赛话题：学习笔记

博客写作背景----项目中解决的问题

最近遇到一个基于TCP/IP网络的远程智能物联网系统，采用Arduino Uno控制器作为下位机，采用LabVIEW作为远程监控软件，两者通过网络实现通信。初步定为使用labview编写上位机程序进行处理。为啥用labview呢，因为LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的测试系统软件开发平台。LabVIEW并不局限于虚拟仪器的开发，它的作用是为大型复杂测试系统提供通用的软件开发平台。目前，LabVIEW已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一。

• 项目中解决的问题

于TCP/IP网络的远程智能物联网系统，采用Arduino Uno控制器作为下位机，采用LabVIEW作为远程监控软件，两者通过网络实现通信。

• 做题思路

提示：传感器及控制部分
MQ-2气体传感器的规格参数如下：
❑加热电压：5±0.2V（AC·DC）
❑回路电压：10V（最大DC 24V）
❑负载电阻：5kΩ（可调）
❑清洁空气中的电压：≤1.5V
❑灵敏度：≥3
❑响应时间：≤10s
❑回复时间：≤30s
❑元件功耗：≤0.7W
❑使用寿命：5年
❑尺寸大小：20.5mm×41mm
❑重量大小：7g
MQ-2气体传感器由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层组成。测量电极和加热器构成的敏感器件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏器件提供了必要的工作条件。封装好的气敏器件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。H为加热电路，A和B为检测电路，通过负载电阻RL输出气体浓度的模拟电压。注意　MQ-2传感器模块配有灵敏度调节电位器，可以调节烟雾传感器的灵敏度，调节的方向视具体模块而定。
为了准确地测量出房屋中的温度，此处选用DS18B20温度传感器。
3.热释电传感器
若使某些强介电质物质的表面发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。这种现象在钛酸钡之类的强介电材料上表现得特别明显。
在钛酸钡一类的晶体上，上下表面设置电极，在其上表面加以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升ΔT，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷ΔP，设元件的电容为C，则元件两电极的电压为ΔP/C。另外，热释电效应产生的电荷不是永存的，只要它出现，很快就会被空气中的单个离子所结合。
热释电红外传感器主要由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2mm×1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70dB以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。
热释电红外传感器的窗口接收光线，滤波片对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此只有特定波长的红外信号才能透过滤波片照射在热释电元件上。热释电元件被光照后，由于热释电元件的上下表面受到的光照不同，产生电子并且形成电流，使两块黑色涂膜产生不同的热释电，电流经过场效应管后放大输出电压信号。
热释电红外传感器的波长灵敏度特性在0.2～20μm范围内几乎稳定不变。也就是说，钛酸钡红外传感器对光敏感的区域相当宽，为了对某些特定的光进行捕获，防止干扰，必须加上滤光片，把不需要的光谱滤掉。假设要捕获人的红外光线，根据人体正常体温为36℃～37℃（309K～310K），便可获知从人体中辐射出的红外光线波长约为9～10μm。因此要使用一块带通滤光片，波长范围是8～11μm，从而可以确保把不需要的光谱滤掉。菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10μm左右（人体红外线辐射的峰值）。同理，如果选择不同的带通滤波片，就可以检测不同的对象，实现不同的目的，比如监测火源、安全检查、防盗防窃，以及军事上的应用。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。
菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin Fresnel）于1822年发明的，这种透镜最初设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜是一种微细结构的光学元件，从正面看其像一个飞镖盘，由一环一环的同心圆组成。菲涅尔透镜原理图如图。

菲涅尔透镜在热释红外感应方面的作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。简单地说，菲涅尔透镜就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。
热释电红外传感器具有不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉等优点，其缺点如下：1）容易受各种热源、光源干扰；2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；3）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
热释电红外传感器的引脚有VCC、OUT、GND，分别为正电源、输出和电源地，且输出为数字量，当感应到人体活动则输出高电平，否则输出低电平。

热释电红外传感器模块有两种触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为可重复触发（H）。
·不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。
·可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
（2）可调节封锁时间及检测距离调节
·热释电红外传感器模块还可以调节封锁时间和检测距离。
·封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现（感应输出时间和封锁时间）两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰（默认封锁时间为2.5s）。
调节检测距离：通过调节两个变阻器调节灵敏度和检测距离。
4.继电器组
家用电器的供电为交流220V，Arduino控制器的电压范围为直流0～5V，不能直接用于驱动家用电器，为了使得Arduino控制器能够控制家用电器，需要通过继电器来实现。
继电器是一种电控制器件，当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系，通常应用于自动化的控制电路中，实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
电磁继电器的原理如图6-65所示。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。当控制电路的开关断开时，弹簧的拉力使得衔铁接通常开触点；当控制电路的开关闭合时，电磁铁的磁力使得衔铁接通常闭触点，电器开始工作。为了能够控制更多的家用电器，可以选用继电器模组来实现多个家用电器的控制功能