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        淺談老舊家電智能化改造控制系統(tǒng)

        2020-05-06 03:36:32
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年5期
        關(guān)鍵詞:開發(fā)板熱水器智能家居

        程 鵬

        (內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

        智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)的影響下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起進行統(tǒng)一控制。近年來,隨著人們對美好生活要求程度的提高,智能家居處于大爆發(fā)的狀態(tài)。而常用的家用電器也越來越多的披上了智能的外衣,大到電視、空調(diào)、冰箱,小到路由器、開關(guān)、插座。由于小型電器更換成本不高,所以可以不用考慮更換成本,但對于家中已有的大件老舊家電,由于購買時成本相對較高、安裝復(fù)雜,中國人又有著節(jié)儉的傳統(tǒng)美德,一般不會將完好的家電扔掉更換新產(chǎn)品,因此,對于老舊家電的智能化改造就成了一個必要的手段。

        1 系統(tǒng)架構(gòu)

        該研究設(shè)計的老舊家電智能化改造控制系統(tǒng),以STM32 開發(fā)板為主控模塊,系統(tǒng)主要包括Android 手機客戶端、Wi-Fi 通信模塊、STM32 開發(fā)板、多種傳感器以及電源模塊。具體控制系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。其中STM32主控模塊對傳感器采集到的亮度、溫度、溫度等數(shù)據(jù)與設(shè)置參數(shù)進行比較分析,對食物類別及數(shù)量信息數(shù)據(jù)進行存儲,控制各功能模塊及數(shù)據(jù),從而達到智能家居控制,自動調(diào)節(jié)溫度、濕度、亮度,按要求運行家電以及數(shù)據(jù)提示的功能。Android 手機與控制系統(tǒng)通過Wi-Fi 通信模塊進行數(shù)據(jù)設(shè)置與傳輸,實現(xiàn)各家電運行情況及家中參數(shù)的遠程監(jiān)控[1]。

        圖1 控制系統(tǒng)框架圖

        該設(shè)計使用的STM32 開發(fā)板主處理器為STM32F103。STM32 開發(fā)板具有接口位置合理、靈活方便等特點。其接口可以進行各種外設(shè)實驗,并且主芯片能夠滿足大數(shù)據(jù)存儲的需求。

        由于控制系統(tǒng)的各功能模塊需要與手機App 進行數(shù)據(jù)傳輸,因此需要Wi-Fi 通信模塊。Wi-Fi 通信模塊能夠及時、高效地進行數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計使用了ATK-RM04 Wi-Fi通信模塊為硬件,采用串口與STM32 開發(fā)板進行通信,能夠轉(zhuǎn)換無線網(wǎng)、以太網(wǎng)、串口。不需要改變STM32 開發(fā)板的任何配置。利用ATK-RM04 Wi-Fi 通信模塊就可以通過Wi-Fi 與Android 手機進行連接。

        考慮到室內(nèi)溫度、濕度會影響生活舒適度,還需要設(shè)置環(huán)境監(jiān)測模塊,采集亮度、溫度、濕度等數(shù)據(jù),在STM32 模板上串接溫濕度傳感器DHT11 及光敏電阻和紅外傳感器HC-SR501,分別用于檢測室溫、濕度和區(qū)域亮度及有無人情況。

        使用STM32 開發(fā)板外接2 個LED 燈,模擬空調(diào)高低檔位的切換。

        使用HC-SR501 人體紅外傳感器模塊來控制開發(fā)板顯示屏的開關(guān)。

        其余各數(shù)據(jù)均由Android 手機App 完成預(yù)設(shè)。

        可通過Android 手機App 實時監(jiān)測測量數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和家電運行狀態(tài)。

        2 改造方案設(shè)計與開發(fā)實驗

        2.1 改造方案設(shè)計

        該次改造的主要思路為利用太陽能作為STM32 控制系統(tǒng)的供電電源,利用STM32 主控模塊通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集,通過液晶屏顯示檢測值,對溫度、濕度、亮度(有人)進行預(yù)設(shè)值自動控制,利用Android 手機遠程監(jiān)測、顯示和控制家電的運行情況[2]。

        2.1.1 電能部分

        采用外接電池,電池是控制系統(tǒng)的電能來源,電池主要依靠太陽能板充電使用,在太陽能板充電量不足時用外接電路補充。

        2.1.2 STM32主控制塊部分

        主要對傳感器返回的數(shù)據(jù)進行分析,并將檢測數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。最后,采用上位機和物聯(lián)網(wǎng)進行通信。

        2.1.3 動作部分

        由繼電器完成對各家電開啟與關(guān)閉的控制。需要注意的是,STM32 主控模塊對整個系統(tǒng)的性能有著直接影響,是時間控制和串行通信的關(guān)鍵。目前市面上有多種單片機,包括STM32、AVR、51 等,其中STM32 單片機的性能高于其他類型的單片機,作為一種大容量的32 位ARM微控制器,其具有高性能、低功耗、低電壓運行等優(yōu)勢,同時保持高集成度,便于開發(fā)32 位產(chǎn)品系列,符合該次改造的要求,因此優(yōu)先選擇STM32 單片機。硬件的具體設(shè)計如下。

        2.1.3.1 常見家電模塊

        常見的家電模塊包括中大型家電如冰箱、電熱水器、空調(diào)等,還包括最常見的小型耗電設(shè)備如燈、路由器等,我們將通過對其加裝控制器與接收器的方式,實現(xiàn)單個處理終端對多個耗電設(shè)備的節(jié)能改造。

        2.1.3.2 STM32控制模塊

        該系統(tǒng)采用STM32 開發(fā)板對系統(tǒng)進行控制。STM32 單片機具有高性能、高速度的特點,特別是A/D 轉(zhuǎn)換和串行口功能,主要控制所有傳感器、計時器、以及各檢測單元、液晶顯示等硬件,并通過串行口通信和移動通信向上位機和手機發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。

        2.2 實驗改造單元及實現(xiàn)功能

        2.2.1 對家用空調(diào)進行改造

        在該次設(shè)計中,空調(diào)是改造的重點,因為老式空調(diào)沒有自動設(shè)定溫度以及變頻等功能,所以用電量極大。首先我們對空調(diào)遙控器進行改造,加裝接收器,實現(xiàn)手機操控。并通過溫度傳感器實時測量家中的溫度,通過單片機進行分析,給遙控器發(fā)出指令,實現(xiàn)變頻。

        2.2.2 對家用熱水器進行改造

        因為家中老舊熱水器沒有電腦板植入,無法對溫度區(qū)間進行控制,所以筆者改造熱水器的位置是熱水器的電源插座。筆者對熱水器內(nèi)水溫下降10 ℃與上升10 ℃的時間進行了多次測量,通過接入繼電器實現(xiàn)了對熱水器的間歇供電,但考慮到日常用水的需要,我們使用單片機對時間進行設(shè)定,做到上班時間與晚上區(qū)別供電,實現(xiàn)節(jié)能功能。

        2.2.3 對于家用照明的節(jié)能改造

        我們對照明進行遠程智能控制,改造方法同樣是對開關(guān)加裝繼電器

        2.2.4 家用冰箱的節(jié)能改造

        對于冰箱我們選擇單獨STM32 開發(fā)板及屏幕作為總控制系統(tǒng)下的冰箱系統(tǒng)的控制單元,加裝的智能冰箱食物管家至少可實現(xiàn)3 個功能。1)智能人體感應(yīng)。2)廚房定時器。3)食物保質(zhì)期與數(shù)量管理及提醒。

        首先,使用HC-SR501 人體紅外傳感器模塊來控制開發(fā)板顯示屏的開關(guān),做到人來即亮屏,人走即熄屏。其次,寫入時間控制,利用開發(fā)板上的按鍵來實現(xiàn)廚房的便捷計時。最后,讀取冰箱內(nèi)的存儲信息,通過提前儲存的信息做到食物過期的智能提醒,以達到減少浪費的目的,并可以為用戶推薦相關(guān)食譜。

        改造后,老舊冰箱基本具有了現(xiàn)在主流人工智能冰箱的大部分功能

        2.2.5 基于STM32的控制方式

        該次改造研究的系統(tǒng)主要利用STM32 對改造后家電進行控制。單片機開啟后,系統(tǒng)能夠通過傳感器對返回的數(shù)據(jù)進行分析,分析結(jié)束后反饋給家電上的執(zhí)行單元,執(zhí)行命令操作,從而實現(xiàn)上述功能,達到智能改造和節(jié)能的目的。

        2.2.6 串口通信及移動通信的控制

        顯示器的所有值都可以通過PC 傳輸?shù)缴衔粰C,并能夠通過移動通信傳輸?shù)绞謾C上,實現(xiàn)液晶屏、主機和手機的多重顯示,這有助于更好地控制與使用。

        3 系統(tǒng)測試

        基于STM32 開發(fā)板設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng),應(yīng)用手機客戶端App,Wi-Fi 模塊、燈光模塊、電器模塊和溫度模塊等部件,實時了解和控制用戶的家居情況。通過系統(tǒng)測試,驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。通過I/O 口,將單片機與Wi-Fi 模塊、DHT11 溫濕度傳感器進行連接。程序代碼寫到STM32 單片機開發(fā)板上。打開手機App,輸入IP 地址,連接Wi-Fi。成功接入后,檢測燈光、視頻、溫濕度控制等情況。結(jié)果顯示,系統(tǒng)運行良好,符合智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。傳感器具體工作示意圖,如圖2 所示。

        圖2 傳感器工作示意圖

        4 結(jié)語

        該研究基于STM32 開發(fā)板設(shè)計的老舊家電智能化改造控制系統(tǒng),通過Wi-Fi 通信技術(shù)對環(huán)境檢測模塊、燈光照明模塊、食物管理模塊進行遠程監(jiān)控和設(shè)置,使舊家電基本具有智能家居的基礎(chǔ)功能。并且操作簡單、成本低廉,具有良好的實用性。經(jīng)過改造,老舊家電被賦予了新的生命,大大降低了家電的淘汰率。

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