基于物聯(lián)網(wǎng)的智能冰箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的大部分冰箱還都是手動(dòng)控制，沒(méi)有實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)可以把物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái) 進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化遠(yuǎn)程控制和管理，因此, 物聯(lián)網(wǎng)已成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分。本設(shè)計(jì)方案 結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)和智能冰箱的相關(guān)技術(shù)，將傳感器、控制器等 設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，可用電腦或手機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能冰 箱進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶，使用方便，可實(shí)現(xiàn) 智能冰箱的物聯(lián)網(wǎng)控制。

1系統(tǒng)控制原理

控制系統(tǒng)主要由SM89516A單片機(jī)、WSUM102A無(wú)線通 信模塊、開(kāi)關(guān)電源模塊、128X64 LCD顯示模塊、溫度采集電路、 按鍵掃描電路、復(fù)位電路、聲音報(bào)警電路、負(fù)載控制電路等構(gòu)成, 系統(tǒng)有2種網(wǎng)絡(luò)連接方式。

第一種是通過(guò)Wi-Fi或借助AP熱點(diǎn)建立無(wú)線物聯(lián)網(wǎng), 再將電子設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。圖1所示 是通過(guò)Wi-Fi或借助AP建立無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冰箱溫度聯(lián)網(wǎng) 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

第二種是使用WSUM102A建立Ad Hoc本地網(wǎng)絡(luò)，而 不需要外部路由和AP輔助，可在小范圍內(nèi)代替數(shù)據(jù)線纜建立 M2M數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。圖2所示是使用WSUM102A建立本地 Ad Hoes局域網(wǎng)的方法圖。

圖2 Ad Hoe局域網(wǎng)

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 SM89516A單片機(jī)及外圍接口電路

SM89516A是8052系列的衍生產(chǎn)品，片內(nèi)有64 KB的 FLASH，1 KB的RAM，擁有3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、1個(gè)看門狗、 4路8通道雙向I/O 口和代碼保護(hù)功能，且P1.3~P1.7引腳可 作為內(nèi)嵌的5通道SPWM發(fā)生器，可作為風(fēng)機(jī)或者蜂鳴器控 制使用，時(shí)鐘頻率最高支持40 MHz。工作電壓：3~3.6 V (L Version)或4.5~5.5 V (C Version)，全雙工串口通道，嵌套中 斷有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，省電模式有空閑模式和掉電模式。本 設(shè)計(jì)方案選用了 SM89516A作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了智能冰箱控 制系統(tǒng)，和無(wú)線模塊間使用UART串口通信，并將數(shù)據(jù)傳送 到LCD上顯示操作結(jié)果。配套有按鍵掃描、復(fù)位、溫度檢測(cè) 和負(fù)載控制等電路。單片機(jī)接口電路如圖3所示。

2.2無(wú)線通信模塊WSUM102A

WSUM102A模塊是一款WiFi轉(zhuǎn)串口和SPI接口的通信模塊，可以方便地在電子設(shè)備之間建立高速穩(wěn)定和安全的無(wú)線通信,并借助AP接入互聯(lián)網(wǎng)。WSUM102A集成有TCP/IP協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)SOCKET網(wǎng)絡(luò)通信，支持13個(gè)通信頻道，并支持Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.11 b+g ；其無(wú)線通信速率超過(guò) 5 Mb/s ；支持WEP 64/128、WPA/WPA2 安全認(rèn)證和多種加密模式，可以連接到 AP 或者 Wi-Fi 路由器，模塊之間可以建立 Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò) ；可提供高速 UART 和 SPI 接口，UART 速度達(dá) 4.5 Mb/s，SPI 接口時(shí)鐘頻率可達(dá)18 MHz，接口引腳可承受 5 V 電壓 ；集成的 TCP/IP 協(xié)議?？赏瑫r(shí)建立 4 條 TCP 或 UDP 連接，掉電可自動(dòng)恢復(fù)，并具有智能防掉線和自動(dòng)斷線重連等功能。

設(shè)計(jì)中可用程序采用中斷掃描方式接收模塊消息，一旦消息到達(dá)就調(diào)用串口接收程序來(lái)接收和處理命令。UART 接口波特率可調(diào)，其他參數(shù)固定為 8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)，模塊不使用傳統(tǒng)的 RTC/CTS 硬件流控制，而是使用BUSY 和 PAUSE 兩根信號(hào)線提供以數(shù)據(jù)包為單位的流量控制。模塊提供的最大波特率為 4.5 Mb/s，在此波特率下有效數(shù)據(jù)發(fā)送速率約為 2 Mb/s，接收速率約為 3 Mb/s，模塊接口電路如圖 4 所示。

2.3開(kāi)關(guān)電源模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要給Wi-Fi模塊、單片機(jī)電路、LCD模組、溫度傳感器負(fù)載控制電路等供電，需要設(shè)計(jì)5W以上功率的電源電路，本文選用了開(kāi)關(guān)電源方案，功耗小、效率高。

開(kāi)關(guān)電源芯片選用OB2354，DIP8封裝支持10W額定功率輸出，為PWM控制功率開(kāi)關(guān)芯片系列。OB2354集成了多項(xiàng)保護(hù)功能，過(guò)壓保護(hù)（OVP），過(guò)流保護(hù)（OCP），可外部調(diào)節(jié)的MOSFET驅(qū)動(dòng)能力，滿足對(duì)功率輸出，EMI及效率/溫升的不同要求，內(nèi)置4ms軟啟動(dòng)功能，空載功耗較低，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。光耦可控硅選用PC817A，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出隔離，系統(tǒng)輸出12V和5V兩路直流電壓。電源系統(tǒng)可分為主電路部分、控制和反饋部分。主電路包括：電感濾波、整流、RC濾波、變壓、濾波輸出；控制和反饋部分由OB2354，PC817，IC104芯片和相應(yīng)外圍元件組成，模塊電路如圖5所示。

2.4LCD顯示模塊和驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)選用了128×64點(diǎn)陣的LCD顯示模塊作為冰箱系統(tǒng)顯示屏，此模塊采用的COG工藝（ChipOnGlass），芯片直接邦定在玻璃上，這種安裝方式可以大大減小模塊的體積。選用的芯片是S1D15605最大支持132×65點(diǎn)陣，設(shè)置為1/64duty，1/9bias，IC內(nèi)部有DCDC升壓電路，只需VDD5V供電和接口電路即可，通信使用SPI串口或者8位并口和SM89516A連接，模塊是FPC連接方式方便易插接，IC有內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能可以在不同溫度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)良好的顯示效果接口電路如圖6所示。

2.5 溫度檢測(cè)和模擬負(fù)載控制

溫度檢測(cè)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 和 MCU 連接，該方法連接時(shí)僅需要一條口線，使用單總線協(xié)議即可實(shí)現(xiàn) MCU與 DS18B20 的雙向通信。該電路的電壓范圍為：3.0~5.5 V，檢測(cè)溫度范圍為 -55~+125 ℃，在 -10~+85 ℃時(shí)精度為 ±0.5 ℃，可編程的分辨率為 9~12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和 0.062 5 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，如圖 7 所示。

冰箱負(fù)載控制電路主要由壓機(jī)、電磁閥、化霜加熱絲、照明燈等控制電路組成，強(qiáng)電負(fù)載都采用繼電器或者光耦可控硅控制方式，隔離抗干擾。以壓機(jī)繼電器控制電路為例，如圖 8 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)可以 選用多種 開(kāi)發(fā) 工具如 Keil、MedWin、ULINK2 等，可快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的編譯和仿真。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)并初始化完畢后，程序會(huì)對(duì)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，若為正常狀態(tài)，則運(yùn)行相應(yīng)的子程序段。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、信號(hào)接收、溫度檢測(cè)、顯示和負(fù)載控制等工作。

圖 9 所示為其主程序流程圖。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)各單元電路模塊和連接無(wú)異常時(shí)冰箱進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的電腦或手機(jī)和冰箱進(jìn)行無(wú)線通信調(diào)節(jié)冰箱的溫度。單片機(jī)對(duì)無(wú)線模塊信息的獲取通過(guò)UART串口完成，單片機(jī)會(huì)進(jìn)入串行口中斷服務(wù) 程序讀取無(wú)線模塊接收的信息，并不斷檢測(cè)當(dāng)前溫度值，將 當(dāng)前溫度值與設(shè)定的溫度值相比較，若高于設(shè)定溫度則使壓 縮機(jī)和電磁閥工作制冷；直到檢測(cè)到的溫度等于設(shè)定溫度則 使壓機(jī)和電磁閥停止工作。

圖10所示為串口中斷服務(wù)子程序流程圖。

圖10串口中斷服務(wù)子程序流程圖

最后冰箱將溫度調(diào)整的結(jié)果顯示到顯示器上面并將數(shù)據(jù) 傳送給用戶，把當(dāng)前的溫度值和設(shè)定溫度進(jìn)行校對(duì)確認(rèn)，最 終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)冰箱溫度的準(zhǔn)確控制。

4結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了低成本、最簡(jiǎn)易的控制操作部件，實(shí)現(xiàn) 了智能冰箱的物聯(lián)網(wǎng)控制。具有較強(qiáng)的智能性，可用電腦、手 機(jī)等接入物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)用戶需求控制冰箱開(kāi)關(guān)和溫度調(diào)節(jié)，并采 用開(kāi)關(guān)電源節(jié)能、省電。此控制系統(tǒng)亦可應(yīng)用于其他電器的物 聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)多種電器互聯(lián)。智能化家電是未來(lái)家電發(fā)展的 主流，特別是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將會(huì)更加普遍。

20211222_61c334a5909be__基于物聯(lián)網(wǎng)的智能冰箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)