鄭 乾，胡旺文，徐仁豪，嚴(yán)煒權(quán)，王躍騰，郭焓森，周琛博

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

1 背景

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

在外國，物聯(lián)網(wǎng)的概念很早就被提出了，但是一直沒有受到各個(gè)學(xué)術(shù)界和各國政府的重視。直到21世紀(jì)初，各國才開始對應(yīng)自己國家的情況制定相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。自此以后，物聯(lián)網(wǎng)才成功迎來高光時(shí)代。伴隨著當(dāng)今社會(huì)電子技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器的技術(shù)逐漸成熟和完善，再加上網(wǎng)絡(luò)的普及和應(yīng)用，使得現(xiàn)如今的海量信息的收集能力和分類處理數(shù)據(jù)信息的能力大幅度提高，為物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[1]。

1.2 智能炒酸奶機(jī)的背景

炒酸奶機(jī)主要由新的壓縮機(jī)、冷凝器以及蒸發(fā)器等具有高質(zhì)量的零件組成，炒酸奶機(jī)器的核心就是壓縮機(jī)，目前市面上80%的炒酸奶機(jī)器都是采用翻新的壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)相比全新的壓縮機(jī)在價(jià)位上要低很多，但這種壓縮機(jī)的工作性能很不穩(wěn)定，外界天氣炎熱或者壓縮機(jī)的電壓過高都非常容易出現(xiàn)死機(jī)甚至燒毀壓縮機(jī)的現(xiàn)象，而我們所設(shè)計(jì)的智能炒酸奶機(jī)則出現(xiàn)上述情況的概率小于0.001%，憑借著STM32F407型微控制器的控制，在壓縮機(jī)過熱時(shí)將會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈锢斫禍?，并?shí)時(shí)監(jiān)測壓縮機(jī)的狀態(tài)和情況，從而讓機(jī)器能夠在一種較好的狀態(tài)下運(yùn)行。

2 所涉及的相關(guān)原理

炒酸奶機(jī)的原理是讓炒酸奶機(jī)器中的壓縮機(jī)壓縮冷媒,之后氣體的冷媒在高壓下變成液體就會(huì)釋放出熱能,通過炒酸奶機(jī)里面的散熱管對熱能進(jìn)行散熱，然后冷媒通過炒酸奶機(jī)器內(nèi)部所設(shè)計(jì)的膨脹閥，最后被釋放到智能炒酸奶機(jī)尾部的冷凝管中,這時(shí)因?yàn)槔淠軆?nèi)部流動(dòng)的冷媒是低壓液體,且同時(shí)冷媒由液體變成氣體要吸收熱量,這樣就將炒冰鍋內(nèi)部的溫度降下去了,起到了降溫的功能，從而快速的將酸奶凝成塊狀或者片狀，最后在炒酸奶上加以花生碎、水果、堅(jiān)果等使其具有不同的口味和特點(diǎn)。

2.1 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

目前市面上的炒酸奶機(jī)器大多為半自動(dòng)的炒酸奶機(jī)器，缺點(diǎn)極其明顯，而本智能炒酸奶機(jī)是利用STM32技術(shù)、軟件技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出的一種全自動(dòng)的智能炒酸奶機(jī)。這款智能炒酸奶機(jī)完美地將主控芯片與PC端進(jìn)行了相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器的壓縮機(jī)、冷凝管等狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和反饋的功能，同時(shí)還利用ESP8266連接中國移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將炒酸奶機(jī)的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上傳給云端數(shù)據(jù)庫記錄炒酸奶機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。只需要將炒酸奶所需要的材料放在指定位置，智能炒酸奶機(jī)器即可自動(dòng)完成。

2.2 總體設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)

智能炒酸奶機(jī)的主要構(gòu)成部分為：炒酸奶機(jī)器的中控系統(tǒng)、信息收集及反饋系統(tǒng)、WI-FI通信上報(bào)系統(tǒng)以及云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)。

智能炒酸奶機(jī)中的中控系統(tǒng)主要使用STM32F407型控制器來對整個(gè)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、冷凝管等裝置進(jìn)行控制和反饋，相當(dāng)于整個(gè)機(jī)器的“大腦”，不僅控制著壓縮機(jī)的功率和制冷時(shí)長，而且對壓縮機(jī)的溫度、電壓等幾項(xiàng)參數(shù)也能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋。

智能炒酸奶機(jī)的信息采集系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)會(huì)定時(shí)收集智能炒酸奶機(jī)的工作狀態(tài)、監(jiān)控制冷過程，并向上位機(jī)輸出壓縮機(jī)的狀態(tài)信息。信息的采集利用攝像頭和溫度傳感器來對智能炒酸奶機(jī)內(nèi)部的壓縮機(jī)上方的正在進(jìn)行的炒酸奶活動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和采集，并將信息反饋給以STM32F407為基礎(chǔ)的主控系統(tǒng)。

無線網(wǎng)交互通信系統(tǒng)是我們所設(shè)計(jì)的炒酸奶機(jī)體現(xiàn)智能化和輕便化的另一部分，使用安信可科技有限公司生產(chǎn)的ESP8266WI-FI模塊，通過串口與主控芯片連接使無線網(wǎng)模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)即可將主控系統(tǒng)處理好的數(shù)據(jù)上報(bào)到云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄[2]。

云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫主要用來記錄一些炒酸奶機(jī)器工作時(shí)的相關(guān)信息，包括制冷時(shí)間，堅(jiān)果、水果的用料數(shù)量以及壓縮機(jī)的溫度等。

智能炒酸奶機(jī)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能炒酸奶機(jī)器的總體設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能炒酸奶機(jī)采用STM32F407控制器作為核心電路板的控制器，以最小電路板為基礎(chǔ)板載其他通信接口與外設(shè)接口，例如串口通信接口，WI-FI模塊接口等。

ST公司這幾年來研發(fā)了幾款以CortexTM-M4為內(nèi)核基礎(chǔ)的STM32F4系列的高性能的控制器，這些控制器不僅采用了90 納米的NVM工藝而且還采用了ART技術(shù)等一系列的高新技術(shù)。這些技術(shù)在STM32F4系列上的應(yīng)用，使得STM32F4系列的高性能微電子控制器的內(nèi)部程序基本能夠無等待執(zhí)行，不僅提高了程序的執(zhí)行效率，而且將CortexTM-M4內(nèi)核的多線程處理的特性完全發(fā)揮，使得STM32F4系列芯片能夠讓主頻達(dá)到將近168 MHz的頻率[3]。STM32F4系列的高性能微電子控制器自帶的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU工作于所有允許的頻率段時(shí)，在閃存中運(yùn)行或者等待的程序，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能。

STM32F407MCU時(shí)鐘頻率為168 MHz，擁有一百多個(gè)高速I/O端口，數(shù)據(jù)處理速度非?？?，而且擁有多種通信接口，能滿足絕大多數(shù)控制電路的應(yīng)用，是STM32產(chǎn)品中性價(jià)比最高的一個(gè)。

目前市面上的ESP8266 WI-FI模塊，自帶WI-FI天線和無線驅(qū)動(dòng)固件，而且ESP8266擁有完整的而且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(dú)立應(yīng)用也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行，支持110-4608000 bps數(shù)據(jù)傳輸速率，體積小，功耗極低，在同類通信器件中具有相當(dāng)優(yōu)越的水平。

3.1 交互通信接口設(shè)計(jì)

圖2 串口RS232接口的電路設(shè)計(jì)

RS-232-C接口是當(dāng)前市面上最常用的一種串行通訊接口。RS-232總線規(guī)定了25條線，包含了兩個(gè)信號(hào)通道，即第一通道，又叫做主通道和第二通道，副通道。利用RS-232總線可以完全實(shí)現(xiàn)芯片的全雙工通信。大部分情況下我們使用的都是主通道，而副通道使用較少。在一般應(yīng)用中，使用3條～9條信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，采用3條信號(hào)線即接收線、發(fā)送線和信號(hào)地線，以此能實(shí)現(xiàn)簡單的全雙工通信過程。RS-232信號(hào)總是在+～-電平之間來回?cái)[動(dòng)，因此在發(fā)送所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)器輸出的正電平將會(huì)在正5 V～15 V之間，而負(fù)電平將會(huì)在負(fù)5 V～15 V電平之間。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL電平，從數(shù)據(jù)傳送的開始到最后結(jié)束，線上電平從TTL電平變到RS-232電平，然后之后再返回為原來的電平[3]。

一般的接收器的工作電平在正3 V～12 V之間或者負(fù)3 V～12 V之間。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2 V～3 V左右，所以其共模抑制能力較差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大不超過15 m左右。但是RS-232是為點(diǎn)對點(diǎn)通訊，即只用一對的通訊設(shè)備而設(shè)計(jì)的，所以也正好符合我們的要求。

經(jīng)過串口-RS232電路接通后，主控電路板就可以連接到PC端，并將壓縮機(jī)的狀態(tài)信息發(fā)送給PC端的數(shù)據(jù)接收器，方便對壓縮機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢測。RS232接口連接的是主控芯片的串口3接口。

3.2 WI-FI交互接口的設(shè)計(jì)

ESP8266有八個(gè)引腳，但是通信利用的是串口通信的方式，另外加上+3.3V電壓輸入與GND端，四個(gè)引腳就能正常使用，非常的節(jié)省空間。連接WI-FI即可實(shí)現(xiàn)無線通信。

圖3 ESP8266的模塊模型

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)

智能炒酸奶機(jī)的中控系統(tǒng)的編程部分主要分為三個(gè)方面，即控制對應(yīng)的任務(wù)、炒酸奶機(jī)的狀態(tài)上報(bào)和物聯(lián)網(wǎng)模塊的WI-FI數(shù)據(jù)上報(bào)。STM32F407芯片軟件設(shè)計(jì)利用的是STM32的HAL庫，外加Free-RTOS操作系統(tǒng)，將三個(gè)主要部分，分為三個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

STM32F407芯片自帶看門狗功能，打開看門狗功能，能有效防止程序自我跑偏，從而避免造成設(shè)備損壞與經(jīng)濟(jì)損失。

主要代碼的目錄如圖4。

圖4 主要控制系統(tǒng)的部分代碼截圖

任務(wù)主要分為三個(gè)部分，即USART3_task、MainControl_task以及WI-FI_task。

任務(wù)之間可以通過所設(shè)置的信號(hào)量相互進(jìn)行通信，然后在相互結(jié)合后開始有序地控制并檢測智能炒酸奶機(jī)的內(nèi)部情況。

4.2 數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用

利用ESP8266 WI-FI模塊，可以連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來記錄數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)包括以下部分：壓縮機(jī)情況、冷凝時(shí)間以及材料用量情況等。

5 總結(jié)

本文通過對普遍的炒酸奶機(jī)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)；通過STM32F4、ESP8266、溫度傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)了對炒酸奶機(jī)器的冷凍時(shí)間數(shù)據(jù)的管理和總結(jié)；通過大量的數(shù)據(jù)記錄,可以幫助提高炒酸奶的口感，而且在此基礎(chǔ)上我們所設(shè)計(jì)的炒酸奶機(jī)器彌補(bǔ)了壓縮機(jī)容易燒毀的缺陷，提高了街邊攤販的安全系數(shù)，使得大眾更加能夠接受這種美食，讓人們吃的更加開心，促使人類走向更加簡潔方便的社會(huì)。隨著自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域的深入，社會(huì)正在向簡潔化和輕便化發(fā)展，通過新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，提高其經(jīng)濟(jì)性，降低成本[4]。