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基于STM32單片機的智能廚房系統設計方案

來源：

2025-06-19

類別：工業控制

拍明芯城

基于STM32單片機的智能廚房系統設計方案

隨著物聯網、人工智能和嵌入式技術的高速發展，智能家居已成為現代生活不可逆轉的趨勢。廚房作為家庭生活的重要組成部分，其智能化改造不僅能大幅提升生活品質，更能有效保障家庭安全。本文旨在詳細闡述一個基于STM32單片機的智能廚房系統設計方案，涵蓋從系統架構到具體元器件選型、功能實現及設計考量的方方面面。本系統旨在解決傳統廚房存在的安全隱患（如燃氣泄漏、火災）、操作繁瑣（如烹飪過程監測不便、電器控制復雜）以及能源浪費（如遺忘關閉電器）等痛點，通過集成多功能傳感器、智能控制模塊和人機交互界面，實現對廚房環境的實時監控、自動化控制和遠程管理。

1. 系統總體架構與設計思路

本智能廚房系統采用分層設計理念，主要包括感知層、處理層、執行層和網絡層。

感知層：負責實時采集廚房環境數據，包括燃氣濃度、煙霧濃度、溫度、濕度、火焰、人體存在等信息。該層由各類高精度傳感器組成，它們是系統獲取外部信息的基礎。
處理層：作為系統的“大腦”，核心是STM32系列微控制器。它負責接收感知層傳來的數據，進行數據處理、邏輯判斷、算法運算，并根據預設規則或用戶指令生成控制信號。同時，它也負責與網絡層進行數據交互。
執行層：根據處理層發出的控制指令，執行相應動作，如控制抽油煙機啟停、燃氣閥門開關、照明燈光調節、警報器觸發等。該層主要由各類執行器和驅動電路組成。
網絡層：實現系統與外部世界的連接，包括局域網通信和廣域網通信。通過Wi-Fi模塊或以太網模塊，系統可以將廚房狀態數據上傳至云平臺，并接收來自用戶手機APP或遠程服務器的指令，實現遠程監控和控制。

系統設計強調模塊化、可擴展性和魯棒性。模塊化設計便于系統的開發、測試和維護，當某一功能需要升級或替換時，僅需改動相應模塊。可擴展性允許系統未來集成更多智能功能，如食材識別、智能烹飪助手等。魯棒性則要求系統在復雜環境下仍能穩定可靠運行，尤其是在安全相關功能上，必須確保萬無一失。

2. 核心控制器選型：STM32F407ZGT6

本系統選擇STM32F407ZGT6作為主控芯片。

元器件作用：STM32F407ZGT6是STMicroelectronics（意法半導體）推出的一款基于ARM Cortex-M4內核的高性能微控制器，集成了浮點運算單元（FPU）。它擁有豐富的外設接口和強大的處理能力，是實現復雜智能控制系統的理想選擇。作為系統的核心，它負責所有傳感器數據的采集、處理、分析，控制所有執行器的動作，并與通信模塊進行數據交互。
選擇原因：

高性能Cortex-M4內核與FPU：Cortex-M4內核具有優秀的實時處理能力，主頻可達168MHz，配合FPU，能夠高效處理復雜的算法，如傳感器數據濾波、環境建模、圖像處理（未來擴展）等，確保系統響應迅速。
豐富的片上資源：該型號擁有1MB Flash和192KB SRAM，足以存儲復雜的程序代碼和處理大量數據。同時，集成了大量的GPIO口、多個USART、SPI、I2C、CAN、USB OTG、以太網MAC、SDIO等通信接口，以及多個12位ADC、DAC、定時器等外設，為連接各種傳感器、執行器和通信模塊提供了極大的便利。
以太網MAC：內置的以太網MAC控制器是選擇該芯片的重要原因之一，可以直接實現有線網絡連接，提供比Wi-Fi更穩定的數據傳輸通道，尤其適用于對數據實時性、穩定性要求較高的應用場景。
廣泛的生態系統與開發資源：STM32系列芯片擁有龐大的用戶群體、完善的開發工具鏈（Keil MDK, STM32CubeIDE等）和豐富的庫函數支持，可以顯著縮短開發周期，降低開發難度。
高可靠性與穩定性：STM32芯片以其工業級的品質和穩定性著稱，能夠滿足廚房環境下長時間、高強度運行的要求。

元器件功能：

數據采集與處理：通過ADC接口采集燃氣傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等模擬信號，進行數字化轉換和初步濾波。通過GPIO接口讀取火焰傳感器、人體傳感器等數字信號。
邏輯控制與決策：根據采集到的環境數據，結合預設的安全閾值和用戶自定義規則，執行相應的邏輯判斷，如當燃氣濃度超標時，立即關閉燃氣閥并啟動排風扇。
執行器控制：通過GPIO、PWM等接口控制繼電器、步進電機、直流電機等，從而控制燃氣閥、抽油煙機、照明燈等設備的啟停與調節。
通信管理：通過USART、SPI、I2C等接口與各種模塊（如Wi-Fi模塊、OLED顯示屏、鍵盤模塊）進行通信，實現數據傳輸和指令交互。
網絡連接與云平臺交互：利用內置的以太網MAC控制器配合外部PHY芯片，實現有線網絡連接，將廚房狀態數據上傳至云平臺，并接收云端指令。
人機交互界面驅動：驅動OLED顯示屏顯示實時數據和系統狀態，處理按鍵輸入，實現用戶對系統的本地操作。

3. 感知層元器件選型與功能

感知層是智能廚房系統的“眼睛和耳朵”，其準確性和實時性直接影響整個系統的可靠性。

3.1 燃氣泄漏檢測模塊：MQ-2煙霧燃氣傳感器模塊

元器件作用：MQ-2傳感器是一種半導體式氣體傳感器，對液化氣、丙烷、甲烷、氫氣、一氧化碳以及其他可燃氣體具有很高的靈敏度。它能夠實時檢測廚房環境中是否存在可燃氣體泄漏，是保障廚房燃氣安全的核心部件。模塊化設計通常包含電壓比較器和數字輸出引腳，便于微控制器讀取。
選擇原因：

高靈敏度與寬檢測范圍：MQ-2對多種可燃氣體都有良好的響應，能夠有效覆蓋廚房中常見的燃氣類型。
成本效益高：相對于其他高精度但價格昂貴的專業氣體傳感器，MQ-2在滿足基本安全需求的前提下，具有很高的性價比。
易于接口：其模擬輸出可以直接接入STM32的ADC端口進行精確量化，數字輸出則可用于簡單的閾值報警。
成熟可靠：該系列傳感器在氣體檢測領域應用廣泛，技術成熟，可靠性高。

元器件功能：

通過感應電阻值的變化，將環境中可燃氣體的濃度轉化為電信號。
模塊通常集成了LM393比較器，可根據預設閾值產生數字信號輸出，指示是否達到報警濃度。
模擬輸出端口提供與氣體濃度成比例的模擬電壓信號，可由STM32的ADC采集，實現更精確的濃度監測和趨勢分析。

3.2 煙霧與火焰檢測模塊：MQ-2煙霧傳感器（與燃氣共用）及HX1838火焰傳感器

元器件作用：MQ-2傳感器除了檢測燃氣，也對煙霧（特別是燃燒產生的煙霧）有響應，但通常需要配合火焰傳感器共同判斷火災。HX1838火焰傳感器主要用于檢測特定波長的紅外線，以判斷是否存在火焰，是火災早期預警的關鍵。
選擇原因：

MQ-2的多功能性：降低了傳感器種類和成本，通過算法融合MQ-2的煙霧響應和火焰傳感器的火焰檢測，可以提高火災判斷的準確性。
HX1838的快速響應：火焰傳感器能夠快速響應火焰產生的紅外輻射，實現對火災的快速預警，為采取滅火措施爭取寶貴時間。
互補性：MQ-2檢測煙霧，HX1838檢測火焰，二者結合可以更全面、更可靠地判斷火災的發生，減少誤報和漏報。

元器件功能：

MQ-2煙霧檢測：當廚房內有煙霧產生時（如烹飪油煙過大或發生火災），MQ-2的電阻值會發生變化，輸出相應的電信號。
HX1838火焰檢測：傳感器內部的光敏二極管陣列檢測火焰發出的特定波長的紅外線，當檢測到火焰時，輸出低電平信號。
STM32通過ADC或GPIO讀取這些信號，并結合設定的閾值和邏輯判斷，確定是否發生火災，并觸發相應警報和執行動作。

3.3 環境溫濕度傳感器：DHT11溫濕度傳感器模塊

元器件作用：DHT11是一款數字溫濕度復合傳感器，包含一個NTC熱敏電阻和一個電容式濕度傳感器，可直接輸出數字信號。用于實時監測廚房環境的溫度和濕度，這些數據對于判斷廚房環境舒適度、電器運行狀態以及輔助火災預警（異常高溫）都具有重要意義。
選擇原因：

數字輸出與單總線接口：DHT11采用單總線通信方式，只需要一個GPIO引腳即可與STM32通信，簡化了硬件連接和軟件編程。
成本低廉：作為一款常用的溫濕度傳感器，DHT11價格非常親民，適合大規模部署。
足夠滿足精度需求：雖然DHT11的精度不如更高端的傳感器（如DHT22或BME280），但對于廚房環境的日常溫濕度監測和異常判斷，其精度已完全足夠。
應用廣泛：大量的資料和例程使其開發變得簡單。

元器件功能：

傳感器上電后，通過單總線協議與STM32進行數據通信。
STM32發送讀取指令后，DHT11將采集到的溫度和濕度值以數字形式傳輸給STM32。
STM32對接收到的數據進行解析，得到當前的溫度（攝氏度）和相對濕度（百分比），并可用于顯示、記錄或觸發相關控制邏輯（如當溫度過高時提示用戶）。

3.4 人體存在檢測模塊：HC-SR501紅外人體感應模塊

元器件作用：HC-SR501是一款基于PIR（Passive Infrared）技術的紅外熱釋電人體感應模塊，能夠檢測到其探測范圍內人體的移動。在智能廚房中，它可以用于實現人來燈亮、人走燈滅的智能照明，或者在長時間無人活動時提醒用戶關閉電器，實現節能。
選擇原因：

被動式檢測，節能環保：PIR傳感器只接收人體發出的紅外輻射，不主動發射任何信號，因此功耗極低，且對人體無害。
高靈敏度與廣闊探測范圍：HC-SR501通常具有較寬的探測角度和距離，能夠有效覆蓋廚房的活動區域。
數字輸出，易于接口：當檢測到人體移動時，模塊輸出高電平信號，否則輸出低電平，STM32可直接通過GPIO口讀取。
可調參數：模塊上通常有調節延時時間和感應靈敏度的電位器，方便根據實際需求進行配置。

元器件功能：

當有人體進入其探測范圍并發生移動時，模塊內部的熱釋電紅外傳感器會檢測到紅外輻射的變化。
模塊輸出一個持續一段時間的高電平信號（取決于延時設置）。
STM32通過讀取該高電平信號，判斷廚房內是否有人存在，從而控制照明、提示信息等。

4. 執行層元器件選型與功能

執行層負責將處理層的邏輯指令轉化為實際的物理動作，是智能系統與現實世界交互的橋梁。

4.1 燃氣閥門控制：步進電機驅動器及燃氣閥

元器件作用：用于控制燃氣管道的主閥門的開啟與關閉。在燃氣泄漏或其他緊急情況下，系統需要能夠迅速、可靠地切斷燃氣供應。選擇步進電機驅動燃氣閥門，可實現精確的開合控制。
選擇原因：

步進電機（如28BYJ-48）的精確控制：步進電機能夠以離散的步進角度進行精確旋轉，這對于控制燃氣閥門的開度非常重要，可以確保閥門完全關閉或完全打開，避免半開半合狀態。
ULN2003驅動芯片：ULN2003是一款高壓、大電流達林頓晶體管陣列，可以直接驅動28BYJ-48等小型步進電機，具有集成度高、電路簡單、驅動能力強的優點。
安全可靠性：相比于電磁閥，步進電機控制的機械閥門在斷電時可保持當前狀態，符合燃氣安全規范要求，避免因斷電導致閥門誤開。

元器件功能：

28BYJ-48步進電機：通過其內部線圈的順序通電，實現精確的步進旋轉，從而帶動燃氣閥門內部的機械結構進行開合。
ULN2003驅動器：接收STM32發出的控制脈沖信號（通常是四相或八相脈沖序列），放大電流并驅動步進電機的各個線圈，使其按照預設方向和步長轉動。
當STM32檢測到燃氣泄漏信號時，會向ULN2003發送控制指令，使其驅動步進電機將燃氣閥門旋轉至關閉位置；當安全解除后，可手動或遠程控制開啟閥門。

4.2 抽油煙機控制：繼電器模塊

元器件作用：用于控制高功率電器如抽油煙機的電源通斷。由于抽油煙機通常是220V交流電源供電，STM32的低壓數字信號無法直接控制，需要通過繼電器進行隔離和放大。
選擇原因：

隔離高低壓電路：繼電器通過電磁原理實現低壓控制電路與高壓負載電路的物理隔離，有效保護了STM32芯片，避免高壓對單片機的損壞。
承受大電流：繼電器觸點能夠承受較大的電流和電壓，滿足抽油煙機等大功率電器的控制需求。
成本效益和易用性：繼電器模塊成熟穩定，價格低廉，且接口簡單，可以直接由STM32的GPIO口驅動（通常通過一個三極管或ULN2003驅動繼電器線圈）。

元器件功能：

當STM32輸出高電平（或低電平，取決于繼電器模塊的觸發方式）信號到繼電器模塊的控制引腳時，繼電器線圈得電，產生磁力吸合觸點。
觸點閉合，抽油煙機電源通路接通，抽油煙機啟動；當信號撤銷時，繼電器觸點斷開，抽油煙機停止。
系統可根據燃氣泄漏、煙霧濃度、烹飪模式等因素，自動控制抽油煙機的啟停。

4.3 警報器：有源蜂鳴器模塊與高分貝警笛

元器件作用：在檢測到燃氣泄漏、火災等緊急情況時，發出聲光報警，提醒廚房內人員及時處理或撤離。
選擇原因：

有源蜂鳴器：集成振蕩電路，只需通電即可發聲，易于驅動。用于發出短促、間歇性的提示音。
高分貝警笛：在緊急情況下需要發出穿透力強、聲音響亮的警告，確保在嘈雜環境中也能被聽到。
多樣化報警：蜂鳴器和警笛結合，可區分不同程度的危險，或提供不同類型的提示（如輕度提示音和緊急報警音）。

元器件功能：

有源蜂鳴器：STM32通過GPIO口控制其電源通斷，可實現連續響、間歇響等模式，用于日常提示或輕度警告。
高分貝警笛：通過繼電器模塊控制其電源，在發生嚴重燃氣泄漏或火災時，STM32驅動繼電器閉合，使警笛持續發出刺耳的高分貝警報聲，同時可配合LED警示燈實現聲光報警。

4.4 智能照明控制：LED燈條與固態繼電器/可控硅調光模塊

元器件作用：實現廚房照明的智能化控制，包括人來燈亮、亮度調節、色溫調節（如果使用RGBW燈條）。
選擇原因：

LED燈條：節能高效，壽命長，可通過PWM或特定驅動芯片實現亮度調節。
固態繼電器（SSR）或可控硅調光模塊：對于低壓LED燈條，直接通過MOSFET或PWM調光即可；對于220V交流供電的照明，SSR或可控硅調光模塊可以實現非接觸式開關和無級調光，無機械觸點磨損，響應速度快，且靜音運行。選擇可控硅調光模塊可以實現更精細的亮度控制。

元器件功能：

LED燈條：作為照明光源。
固態繼電器（SSR）：當STM32發出控制信號時，SSR導通，接通LED燈條電源，實現開關控制。
可控硅調光模塊：STM32通過PWM信號控制可控硅的導通角，從而調節LED燈條的亮度。結合人體感應模塊和環境光傳感器（可選），可以實現自動感應亮燈、亮度隨環境光自動調節等功能。

5. 網絡通信模塊選型與功能

網絡通信模塊是智能廚房系統實現遠程監控、數據上傳和云端交互的關鍵。

5.1 以太網通信：ENC28J60以太網控制器模塊

元器件作用：ENC28J60是一款獨立以太網控制器，具有SPI接口，能夠為微控制器提供一個完整的以太網通信解決方案。本系統選擇它作為主通信方式，以保證數據傳輸的穩定性和可靠性。
選擇原因：

選擇原因：STM32F407ZGT6內部已集成以太網MAC，只需外接一個符合IEEE 802.3標準的物理層收發器（PHY）芯片即可實現完整的以太網功能。這種方案能最大限度發揮STM32內置以太網控制器的性能，數據傳輸效率更高，且硬件連接更為簡潔，PCB布線也更規整。
元器件功能：PHY芯片負責將MAC層輸出的數字信號轉換為能在物理介質（網線）上傳輸的模擬信號，并進行收發、沖突檢測、自動協商等物理層操作。它與STM32通過RMII（Reduced Media Independent Interface）或MII接口連接，實現數據的高速交換。
穩定性與可靠性：有線以太網相比無線Wi-Fi，在抗干擾能力和數據傳輸穩定性方面具有顯著優勢，尤其適合對數據傳輸連續性和可靠性要求較高的智能家居應用。
STM32F407ZGT6內置以太網MAC：STM32F407ZGT6本身集成了以太網MAC控制器，只需外接一個以太網PHY芯片即可實現以太網通信。然而，考慮到ENC28J60模塊的成熟度、易用性和較低的成本，對于一些開發者而言，直接使用ENC28J60通過SPI接口連接可能更為便捷，尤其是在沒有集成PHY芯片的STM32型號上（但本方案選擇的STM32F407ZGT6已經內置了MAC，可以直接外接PHY）。此處應更正為直接使用STM32F407ZGT6的內置以太網MAC，外接一片以太網PHY芯片（如LAN8720A或RTL8201CP）。
針對STM32F407ZGT6的更優選擇：PHY芯片（如LAN8720A或RTL8201CP）

元器件功能：

將STM32處理后的廚房狀態數據（如燃氣濃度、溫度、設備狀態等）封裝成以太網數據包。
通過TCP/IP協議棧，將數據發送至指定的服務器或云平臺。
接收來自服務器或用戶手機APP的遠程控制指令，并傳遞給STM32進行處理。
實現局域網內的設備互聯和數據共享。

5.2 無線通信（可選）：ESP8266 Wi-Fi模塊

元器件作用：ESP8266是一款低成本、高性能的Wi-Fi芯片，集成了TCP/IP協議棧，可作為STM32的Wi-Fi協處理器，實現設備的無線網絡連接。作為有線以太網的補充或備用方案，為用戶提供更靈活的連接方式。
選擇原因：

低成本與高集成度：ESP8266模塊價格低廉，但功能強大，集成了Wi-Fi通信功能和部分處理能力。
廣泛的應用與成熟的AT指令集：ESP8266在物聯網領域應用非常廣泛，有豐富的開發資源和AT指令集，STM32可以通過串口（UART）與其通信，實現簡單的Wi-Fi連接功能。
滿足移動端訪問需求：雖然有線連接更穩定，但Wi-Fi提供了更大的靈活性，方便用戶通過手機APP進行遠程控制和查看。

元器件功能：

作為STM32的Wi-Fi協處理器，通過UART接口接收STM32發送的AT指令。
實現Wi-Fi網絡的連接、斷開、數據發送和接收等功能。
將STM32獲取的廚房數據通過Wi-Fi上傳至云平臺。
接收云平臺或手機APP發送的控制指令，并通過串口轉發給STM32。

6. 人機交互與顯示模塊選型與功能

人機交互模塊是用戶與智能廚房系統進行溝通的界面，提供直觀的狀態顯示和便捷的操作方式。

6.1 顯示模塊：0.96寸OLED顯示屏（SSD1306驅動）

元器件作用：OLED（Organic Light-Emitting Diode）顯示屏具有自發光、高對比度、寬視角、低功耗等特點，非常適合作為嵌入式系統的信息顯示界面。0.96寸的尺寸在廚房系統中既能清晰顯示關鍵信息，又不會占用過多空間。
選擇原因：

清晰度高與視角廣：OLED顯示效果清晰，對比度高，即使在不同角度也能看清顯示內容。
低功耗：相比LCD，OLED在顯示黑色時像素不發光，功耗更低，有利于系統整體的節能設計。
小巧便攜：0.96寸的尺寸適合嵌入到各類智能家居設備中。
接口簡單：通常采用I2C或SPI接口與STM32通信，布線簡單，占用GPIO資源少。SSD1306是常用的OLED驅動芯片，有成熟的驅動庫支持。

元器件功能：

實時顯示廚房環境數據，如燃氣濃度、溫度、濕度、當前時間等。
顯示系統工作狀態，如“正常”、“燃氣泄漏警報”、“火災警報”、“抽油煙機開啟”等。
顯示網絡連接狀態、故障代碼或提示信息。
通過STM32的I2C或SPI接口，將需要顯示的數據和圖形指令發送給SSD1306驅動芯片，由其控制OLED像素點亮滅，從而顯示圖像和文字。

6.2 按鍵輸入模塊：獨立按鍵矩陣

元器件作用：提供本地操作界面，用戶可以通過按鍵進行模式切換、參數設置、警報解除等操作。
選擇原因：

簡單可靠：按鍵是最直接、最可靠的輸入方式，不易受電磁干擾影響。
成本低廉：獨立按鍵或小鍵盤矩陣成本極低。
滿足基本交互需求：對于智能廚房系統，不需要非常復雜的輸入，幾個功能按鍵即可滿足日常操作。

元器件功能：

通過連接STM32的GPIO口，以輪詢或中斷的方式檢測按鍵是否被按下。
STM32根據按鍵的按下狀態，執行相應的控制邏輯，如：“模式切換”鍵用于在自動/手動模式之間切換，“確認”鍵用于確認操作或解除警報，“設置”鍵進入參數配置界面等。

7. 電源管理模塊

穩定的電源供應是系統可靠運行的基石。

7.1 主電源模塊：AC-DC開關電源模塊

元器件作用：將市電220V交流電轉換為系統所需的低壓直流電，通常是5V或12V，為整個系統提供穩定的主電源。
選擇原因：

高效率：開關電源相比線性電源具有更高的轉換效率，減少能量損耗和發熱。
體積小巧：集成度高，便于嵌入到產品中。
寬輸入電壓范圍與過載保護：能夠適應市電電壓波動，并提供過流、短路等保護功能，增強系統可靠性。
隔離設計：確保人身安全，避免220V高壓直接接觸到低壓控制電路。

元器件功能：

將220V AC輸入轉換為穩定的5V或12V DC輸出。
提供足夠的電流輸出能力，以滿足STM32、傳感器、通信模塊、顯示屏以及部分執行器（通過驅動電路）的總功耗需求。

7.2 穩壓模塊：AMS1117-3.3V線性穩壓器

元器件作用：將主電源模塊輸出的5V直流電，進一步穩壓為STM32F407ZGT6以及部分傳感器（如DHT11、OLED）所需的3.3V工作電壓。
選擇原因：

簡單易用：AMS1117系列穩壓芯片電路非常簡單，只需少量外圍元件即可工作。
低成本與封裝多樣：成本低廉，且有多種封裝形式可選，方便PCB設計。
滿足小電流穩壓需求：對于單片機和大部分數字傳感器而言，AMS1117提供的電流輸出能力已足夠。

元器件功能：

將輸入端5V的直流電壓穩定輸出3.3V的直流電壓。
為STM32F407ZGT6提供穩定、純凈的工作電壓，確保其正常運行，避免因電源波動引起的系統不穩定。

8. 軟件設計與實現

軟件設計是智能廚房系統實現各項功能的靈魂，它將硬件連接起來，賦予系統“智能”。

8.1 軟件架構

軟件架構采用模塊化、分層的設計思路，主要包括：

底層驅動層：負責STM32外設的初始化和驅動，包括GPIO、ADC、UART、SPI、I2C、定時器、以太網MAC等。通過封裝底層驅動接口，屏蔽硬件細節，為上層應用提供統一、簡潔的API。
傳感器數據采集與處理層：封裝各種傳感器的驅動，實現數據采集、初步濾波、量程轉換、單位換算等。例如，對MQ-2傳感器的ADC值進行氣體濃度映射，對DHT11的溫濕度數據進行校驗。
網絡通信協議棧：實現TCP/IP協議棧，包括ARP、IP、ICMP、UDP、TCP等協議，負責數據的封裝、解封裝、路由、端口管理等。在有線以太網方案中，需要移植LwIP等輕量級TCP/IP協議棧。
應用邏輯層：系統的核心業務邏輯，包括：

安全監控邏輯：燃氣泄漏報警、火災報警（煙霧+火焰雙重判斷）、高溫預警。
設備控制邏輯：抽油煙機自動啟停、燃氣閥門自動關閉、照明控制（人來燈亮/亮度調節）。
人機交互邏輯：OLED顯示更新、按鍵輸入處理、警報音效控制。
定時任務管理：如定時采集數據、定時上傳數據。

云平臺通信層：負責與云平臺進行數據交互，包括數據上報、指令下發、設備認證等。通常采用MQTT、HTTP等協議。
操作系統層（可選，但推薦）：使用RTOS（如FreeRTOS或RT-Thread）可以有效管理多任務并發，提高系統的實時性、穩定性和可維護性。例如，傳感器采集任務、網絡通信任務、顯示刷新任務、按鍵掃描任務等可以作為獨立的線程運行。

8.2 關鍵算法與邏輯

燃氣/煙霧濃度閾值報警：

對MQ-2傳感器采集到的模擬量進行ADC轉換和A/D曲線擬合，得到精確的燃氣/煙霧濃度值。
設定多個報警閾值：低級預警（如濃度達到國家標準1/N，蜂鳴器間歇報警），高級警報（如濃度達到國家標準，立即關閉燃氣閥、啟動抽油煙機、觸發高分貝警笛、發送報警信息至手機）。
引入延時判斷機制，避免瞬間波動導致的誤報。

火災綜合判斷：

輕度預警：當煙霧濃度達到一定閾值，或僅檢測到火焰信號時，啟動提示音，并顯示預警信息。
緊急報警：當煙霧濃度和火焰信號同時達到報警閾值，或其中一項指標異常升高（如溫度急劇上升）時，立即觸發高分貝警笛、啟動抽油煙機（排除煙霧，但如果是火災則需慎重考慮此步，可能助燃，需結合具體安全策略，更優策略是關閉所有燃氣和電力）、發送報警信息，并嘗試通知相關部門。
結合MQ-2的煙霧濃度和HX1838火焰傳感器的火焰信號。
邏輯：
考慮溫度傳感器數據作為輔助判斷，例如溫度異常升高時，進一步加強火災的可能性判斷。

智能照明控制：

結合HC-SR501人體感應模塊。當檢測到人體進入廚房時，自動開啟照明。
設置延時，當長時間無人活動時，自動關閉照明，實現節能。
可擴展環境光傳感器，實現根據環境光強度自動調節燈光亮度，提升舒適度。

數據上傳與遠程控制：

系統定期（如每隔X秒/分鐘）將各類傳感器數據、設備狀態打包，通過以太網/Wi-Fi發送至云平臺。
云平臺負責數據存儲、分析和可視化，并提供API接口供手機APP調用。
手機APP或Web界面發送遠程控制指令（如開啟/關閉抽油煙機、查看歷史數據、解除警報），云平臺接收并轉發給對應的智能廚房系統。系統收到指令后執行相應動作。

9. 系統的安全與可靠性考量

智能廚房系統涉及家庭安全，其安全性和可靠性是設計的重中之重。

電源穩定性與隔離：所有高壓電路與低壓控制電路之間必須進行嚴格的物理隔離。主電源模塊應具備過壓、過流、短路保護功能。STM32的電源應經過穩壓處理，確保穩定。
傳感器冗余與交叉驗證：對于關鍵的安全功能（如燃氣泄漏、火災），應考慮使用多種傳感器進行交叉驗證，降低誤報和漏報的風險。例如，燃氣泄漏不僅依賴MQ-2，還可引入更專業的電化學傳感器（若預算允許）。火災報警則結合煙霧、火焰和溫度傳感器。
故障自檢與報警：系統應具備自檢功能，定期檢查傳感器、執行器和通信模塊的工作狀態。一旦發現故障，應及時發出報警并記錄，例如傳感器數據異常、執行器無法響應等。
斷電保護與恢復：系統應在斷電后能夠安全恢復。關鍵狀態信息（如燃氣閥門開閉狀態、報警狀態）應存儲在非易失性存儲器（如EEPROM或Flash）中，以便在恢復供電后加載。燃氣閥門應設計成在斷電時保持當前狀態或自動關閉（推薦后者，更安全）。
硬件看門狗：啟用STM32內部的硬件看門狗（獨立看門狗IWDG或窗口看門狗WWDG），防止程序跑飛或死循環，確保系統在異常情況下能夠自動復位，恢復正常運行。
軟件容錯與異常處理：軟件設計中應充分考慮各種異常情況，如傳感器讀取失敗、網絡通信中斷、指令解析錯誤等，并編寫相應的錯誤處理代碼，提高系統的魯棒性。
數據加密與安全通信：當系統與云平臺或手機APP進行數據交互時，應采用加密傳輸（如TLS/SSL）和身份認證機制，防止數據被竊取或惡意控制。
手動應急開關：在設計中保留物理手動開關，例如燃氣閥門的緊急手動關閉閥，以及警報器的物理復位按鈕，確保在系統出現極端故障時，用戶仍能進行人工干預。
定期維護與校準：建議定期對燃氣傳感器等關鍵傳感器進行校準和維護，確保其檢測精度。