基于物聯(lián)網(wǎng)的智能冰箱控制系統(tǒng)設計

引言

目前國內市場上的大部分冰箱還都是手動控制，沒有實 現(xiàn)遠程控制?，F(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)可以把物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來 進行通信，以實現(xiàn)對物體的智能化遠程控制和管理，因此, 物聯(lián)網(wǎng)已成為新一代信息技術的重要組成部分。本設計方案 結合了物聯(lián)網(wǎng)和智能冰箱的相關技術，將傳感器、控制器等 設備通過無線網(wǎng)絡連接，可用電腦或手機通過網(wǎng)絡對智能冰 箱進行遠程控制并將信息實時發(fā)送給用戶，使用方便，可實現(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、WSUM102A無線通 信模塊、開關電源模塊、128X64 LCD顯示模塊、溫度采集電路、 按鍵掃描電路、復位電路、聲音報警電路、負載控制電路等構成, 系統(tǒng)有2種網(wǎng)絡連接方式。

第一種是通過Wi-Fi或借助AP熱點建立無線物聯(lián)網(wǎng), 再將電子設備接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠程控制。圖1所示 是通過Wi-Fi或借助AP建立無線物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)冰箱溫度聯(lián)網(wǎng) 控制的系統(tǒng)結構圖。

第二種是使用WSUM102A建立Ad Hoc本地網(wǎng)絡，而 不需要外部路由和AP輔助，可在小范圍內代替數(shù)據(jù)線纜建立 M2M數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。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)硬件設計

2.1 SM89516A單片機及外圍接口電路

SM89516A是8052系列的衍生產(chǎn)品，片內有64 KB的 FLASH，1 KB的RAM，擁有3個定時計數(shù)器、1個看門狗、 4路8通道雙向I/O 口和代碼保護功能，且P1.3~P1.7引腳可 作為內嵌的5通道SPWM發(fā)生器，可作為風機或者蜂鳴器控 制使用，時鐘頻率最高支持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 斷有兩個中斷優(yōu)先級，省電模式有空閑模式和掉電模式。本 設計方案選用了 SM89516A作為主控芯片實現(xiàn)了智能冰箱控 制系統(tǒng)，和無線模塊間使用UART串口通信，并將數(shù)據(jù)傳送 到LCD上顯示操作結果。配套有按鍵掃描、復位、溫度檢測 和負載控制等電路。單片機接口電路如圖3所示。

2.2無線通信模塊WSUM102A

WSUM102A模塊是一款WiFi轉串口和SPI接口的通信模塊，可以方便地在電子設備之間建立高速穩(wěn)定和安全的無線通信,并借助AP接入互聯(lián)網(wǎng)。WSUM102A集成有TCP/IP協(xié)議棧，可以實現(xiàn)SOCKET網(wǎng)絡通信，支持13個通信頻道，并支持Wi-Fi 標準 IEEE802.11 b+g ；其無線通信速率超過 5 Mb/s ；支持WEP 64/128、WPA/WPA2 安全認證和多種加密模式，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 ；可提供高速 UART 和 SPI 接口，UART 速度達 4.5 Mb/s，SPI 接口時鐘頻率可達18 MHz，接口引腳可承受 5 V 電壓 ；集成的 TCP/IP 協(xié)議?？赏瑫r建立 4 條 TCP 或 UDP 連接，掉電可自動恢復，并具有智能防掉線和自動斷線重連等功能。

設計中可用程序采用中斷掃描方式接收模塊消息，一旦消息到達就調用串口接收程序來接收和處理命令。UART 接口波特率可調，其他參數(shù)固定為 8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無奇偶校驗，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開關電源模塊

根據(jù)系統(tǒng)設計需要給Wi-Fi模塊、單片機電路、LCD模組、溫度傳感器負載控制電路等供電，需要設計5W以上功率的電源電路，本文選用了開關電源方案，功耗小、效率高。

開關電源芯片選用OB2354，DIP8封裝支持10W額定功率輸出，為PWM控制功率開關芯片系列。OB2354集成了多項保護功能，過壓保護（OVP），過流保護（OCP），可外部調節(jié)的MOSFET驅動能力，滿足對功率輸出，EMI及效率/溫升的不同要求，內置4ms軟啟動功能，空載功耗較低，可以實現(xiàn)簡單靈活的系統(tǒng)設計。光耦可控硅選用PC817A，具有很強的抗干擾能力，實現(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芯片和相應外圍元件組成，模塊電路如圖5所示。

2.4LCD顯示模塊和驅動

本設計選用了128×64點陣的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點陣，設置為1/64duty，1/9bias，IC內部有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有內部溫度補償功能可以在不同溫度環(huán)境下實現(xiàn)良好的顯示效果接口電路如圖6所示。

2.5 溫度檢測和模擬負載控制

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

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

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)可以 選用多種 開發(fā) 工具如 Keil、MedWin、ULINK2 等，可快速實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的編譯和仿真。當系統(tǒng)開機并初始化完畢后，程序會對當前的系統(tǒng)狀態(tài)進行分析，若為正常狀態(tài)，則運行相應的子程序段。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)狀態(tài)檢測、信號接收、溫度檢測、顯示和負載控制等工作。

圖 9 所示為其主程序流程圖。

當系統(tǒng)檢測各單元電路模塊和連接無異常時冰箱進入聯(lián)網(wǎng)工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，可以通過聯(lián)網(wǎng)的電腦或手機和冰箱進行無線通信調節(jié)冰箱的溫度。單片機對無線模塊信息的獲取通過UART串口完成，單片機會進入串行口中斷服務 程序讀取無線模塊接收的信息，并不斷檢測當前溫度值，將 當前溫度值與設定的溫度值相比較，若高于設定溫度則使壓 縮機和電磁閥工作制冷；直到檢測到的溫度等于設定溫度則 使壓機和電磁閥停止工作。

圖10所示為串口中斷服務子程序流程圖。

圖10串口中斷服務子程序流程圖

最后冰箱將溫度調整的結果顯示到顯示器上面并將數(shù)據(jù) 傳送給用戶，把當前的溫度值和設定溫度進行校對確認，最 終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)冰箱溫度的準確控制。

4結語

設計系統(tǒng)選用了低成本、最簡易的控制操作部件，實現(xiàn) 了智能冰箱的物聯(lián)網(wǎng)控制。具有較強的智能性，可用電腦、手 機等接入物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)用戶需求控制冰箱開關和溫度調節(jié)，并采 用開關電源節(jié)能、省電。此控制系統(tǒng)亦可應用于其他電器的物 聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)多種電器互聯(lián)。智能化家電是未來家電發(fā)展的 主流，特別是物聯(lián)網(wǎng)的應用將會更加普遍。

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