董佳興,武志濤*,單俊超,李科瑾,張麗雯,吳佳鴻
(遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114000)
隨著“智能家居”逐漸走入人們的視野,然而目前市場上很難找到一款真正意義上的“智能家居”。與此同時(shí),辦公室一族高強(qiáng)度的工作壓力讓這個(gè)群體積勞成疾,如何將智能家居引入辦公室,在緩解人們工作壓力的同時(shí),讓人們更好養(yǎng)成一個(gè)健康的辦公習(xí)慣。針對(duì)于以上的問題,我們項(xiàng)目組研究了一款多功能辦公桌,擁有辦公桌上追蹤手機(jī)無線充電、升降桌腿、傳遞水杯、智能感應(yīng)以及透明屏幕創(chuàng)意等功能[1]。
以STM32 和openmv 雙系統(tǒng)的通信聯(lián)調(diào)為主,通過電磁感應(yīng)式無線充電線圈、電磁鐵模塊、oled 屏幕、hc-06 藍(lán)牙模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及鋁材滑軌等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)openmv 的視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)桌子上的可充電物品進(jìn)行追蹤無線充電的功能;根據(jù)單片機(jī)內(nèi)置定時(shí)器和攝像頭結(jié)合來實(shí)現(xiàn)工作人員的工作時(shí)間來自動(dòng)升降桌腿功能;根據(jù)滑軌與電磁鐵模塊的結(jié)合來定時(shí)傳遞水杯功能;根據(jù)oled 透明液晶屏幕的特性設(shè)計(jì)一款個(gè)性化的科技感透明屏幕桌面,做到桌面智能化和自動(dòng)化。其系統(tǒng)框圖見圖1[2]。
處理器主要采用STM32F103ZET6 作為整體軟件控制框架的控制芯片,此芯片為STM32 系列單片機(jī),片內(nèi)最多高達(dá)112 個(gè)快速IO 端口、12 通道DMA 控制器、3 個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換器、多達(dá)11 個(gè)定時(shí)器,13 個(gè)通信接口,并且支持SPI 和I2C 通信,內(nèi)置的資源滿足本設(shè)計(jì)多功能辦公桌的所有功能需求,并且可以通過通訊接口與openmv 攝像頭模塊的內(nèi)控進(jìn)行信息通訊,兼容性很強(qiáng),并且該芯片還具有低功耗、低成本、高性能和集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
攝像頭控制電路采用的是openmv 高度集成攝像頭,該攝像頭是一個(gè)開源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊,自帶STM32 處理器,集成OV7725 攝像頭芯片,可以對(duì)攝像頭傳感的圖像進(jìn)行自處理,并可與機(jī)器人主處理器進(jìn)行通訊。
openmv-H7 是一種可編程機(jī)器視覺硬件,通過和OV7725 攝像頭的結(jié)合可以支持一系列廣泛的圖像處理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在通過IDE 的允許條件下,可查看幀緩沖器和訪問傳感器控件。STM32H743 是該模塊基板的MCU,具有32 位的Cortex-M7 內(nèi)核芯片,具有雙精度浮點(diǎn)處理單元FPU,可以實(shí)現(xiàn)攝像頭自主進(jìn)行圖片處理,在使用的時(shí)候只需要與本設(shè)計(jì)的主控制器進(jìn)行有線/無線的串口通信即可[3]。
無線充電電路采用電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù),電磁感應(yīng)就是給初級(jí)線圈一定頻率的交流電,通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。本設(shè)計(jì)該部分電路將220 V 的交流電通過橋式整流電路變成直流電,然后通過電容濾波作用變成脈動(dòng)直流電,脈動(dòng)直流電在高頻逆變開關(guān)電路基礎(chǔ)上變成高頻可變的交流信號(hào),再通過高頻RC 振蕩電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射出去,發(fā)射出來的高頻交流信號(hào)在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流,在通過整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路,給手機(jī)、無線鍵盤等一些待充電物品充電[4]。
電磁鐵模塊電路采用keyes 研發(fā)的一種吸盤式電磁鐵模塊,該模塊電路設(shè)計(jì)了3 個(gè)接口,分別是VCC、GND 以及信號(hào)線接口,通過給信號(hào)線接口脈沖來控制電磁鐵產(chǎn)生磁力的時(shí)間,相較于其他電磁模塊來說,控制更加穩(wěn)定和簡單。
藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)電路采用hc-06 藍(lán)牙模塊。可以實(shí)現(xiàn)AT 指令來設(shè)置和查詢參數(shù),也可以實(shí)現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)透傳,可通過模塊上電后使KEY 引腳接VCC 來進(jìn)入AT 狀態(tài),通過“AT+<=PARAM>”指令結(jié)構(gòu)來設(shè)置參數(shù)格式,實(shí)現(xiàn)修改藍(lán)牙名稱、地址、波特率、記憶指令和主從狀態(tài)等功能。該型號(hào)藍(lán)牙通訊范圍較大,通訊環(huán)境穩(wěn)定[5]。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用五線四相步進(jìn)電機(jī)和MINI ULN2003 驅(qū)動(dòng)模塊,步進(jìn)電機(jī)不能直接在工頻直流電源上工作,必須通過驅(qū)動(dòng)模塊與其直接耦合,實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微控制器的功率接口功能。MINI ULN2003 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是五線四相步進(jìn)電機(jī)的一種專用驅(qū)動(dòng)電路,該電路引出了5P 排針插座,可與電機(jī)直接連接,板載ULN2003A 驅(qū)動(dòng)芯片,通過單片機(jī)芯片對(duì)芯片引腳的io 輸出脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間[6]。
oled 屏幕電路選擇的是55 英寸透明oled 液晶屏幕,oled 是一種自發(fā)光有機(jī)二極管,每一個(gè)像素都可以獨(dú)立開啟和關(guān)閉,本設(shè)計(jì)應(yīng)用的屏幕模塊采用了專業(yè)的光學(xué)LED 燈珠使透光均勻,節(jié)能低耗,使用樹莓派高集成控制對(duì)屏幕建立hdmi 接口連接,通過拓展口協(xié)議進(jìn)行屏幕讀寫,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透明屏幕的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。
該部分通過openmv 攝像頭模塊對(duì)充電物品的特征庫識(shí)別,將特征存儲(chǔ)在內(nèi)控芯片的基礎(chǔ)記憶庫里,在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)將openmv 架在辦公桌上方,對(duì)桌面建立識(shí)別坐標(biāo)系,通過對(duì)桌子上物品的特征識(shí)別判斷是否為充電物品,特征庫比對(duì)正確后通過藍(lán)牙模塊對(duì)主控STM32 芯片發(fā)送物品坐標(biāo),主控接收到之后控制步進(jìn)電機(jī)攜帶無線充電線圈移動(dòng)到待充電物品下方進(jìn)行充電。該部分控制流程見圖2。
該部分通過openmv 攝像頭模塊對(duì)辦公桌面建立的坐標(biāo)系區(qū)域(根據(jù)像素點(diǎn)分配),將桌面固定的辦公區(qū)域規(guī)劃在坐標(biāo)系中,當(dāng)檢測到辦公區(qū)域的灰度值到達(dá)閾值之后,openmv 通過藍(lán)牙模塊向STM32 主控發(fā)送指令,主控調(diào)用定時(shí)器函數(shù)開始計(jì)時(shí),設(shè)置時(shí)間標(biāo)志位,到達(dá)標(biāo)志位之后控制步進(jìn)電機(jī)的滑軌裝置,將滑軌帶動(dòng)桌腿進(jìn)行升降操作。該部分控制流程見圖3[7]。
該部分與自動(dòng)升降桌腿功能結(jié)合,主要通過吸盤式電磁鐵模塊和步進(jìn)電機(jī)滑軌裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)水杯的自動(dòng)傳遞(固定位置)。
該部分通過樹莓派對(duì)oled 透明桌面進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì),在樹莓派中安裝linux 系統(tǒng),利用C++語言在QT的控件庫中設(shè)計(jì)圖片模型,利用布局和邏輯代碼實(shí)現(xiàn)圖片的運(yùn)動(dòng)等一些動(dòng)畫操作,通過拓展口協(xié)議對(duì)oled液晶屏幕進(jìn)行創(chuàng)意顯示功能,也可以調(diào)用linux 操作系統(tǒng)將日期時(shí)間實(shí)時(shí)顯示在屏幕上,留出鍵盤接口,可以實(shí)現(xiàn)工作人員的備忘錄編寫,存儲(chǔ)在主控的內(nèi)置存儲(chǔ)空間[8]。該部分流程見圖4。
本研究采用Protues 仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真調(diào)試。利用其對(duì)虛擬單片機(jī)仿真具有豐富的器件庫、完善的電路仿真功能等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行仿真調(diào)試。
本系統(tǒng)的仿真電路圖,其中包含各種實(shí)現(xiàn)功能的模塊,能夠在仿真中模擬系統(tǒng)要求的各種功能。
4.2.1 無線充電
220 V 的交流電通過橋式整流電路的方式變成直流電,然后通過電容濾波作用變成脈動(dòng)直流電,脈動(dòng)直流電在高頻逆變開關(guān)電路基礎(chǔ)上變成高頻可變的交流信號(hào),在通過高頻RC 振蕩電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射出去,發(fā)射出來的高頻交流信號(hào)在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流,在通過整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路,給手機(jī)無線鍵盤等設(shè)備充電。
4.2.2 視覺識(shí)別
對(duì)桌面建立坐標(biāo)系,對(duì)手機(jī)進(jìn)行特征識(shí)別,建立特征庫,利用openmv 模塊識(shí)別特征物,計(jì)算特征物坐標(biāo)之后再通過hc-06 藍(lán)牙模塊將坐標(biāo)數(shù)組發(fā)回STM32 主控,發(fā)現(xiàn)手機(jī)在桌面的充電范圍后進(jìn)行特征對(duì)比,對(duì)比成功進(jìn)行充電。充電結(jié)束之后,步進(jìn)電機(jī)控制無線充電歸位。
4.2.3 定時(shí)升降桌腿
編寫openmv 攝像頭模塊,將桌面所在的區(qū)域建立坐標(biāo)系之后,當(dāng)其中灰度達(dá)到閾值之后,藍(lán)牙發(fā)送指令給STM32 主控,其向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)配置好的脈沖。會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)的滑軌裝置,帶動(dòng)桌腿的升降。針對(duì)辦公人員的健康辦公,以一個(gè)小時(shí)低位、二十分鐘高位為一個(gè)周期,進(jìn)行定時(shí)升降桌腿,提醒辦公人員,定時(shí)工作,達(dá)到健康規(guī)劃管理的效果。
4.2.4 定時(shí)傳遞水杯
該部分主要由吸盤式電磁鐵和步進(jìn)電機(jī)滑軌裝置運(yùn)行。編寫定時(shí)器,當(dāng)其達(dá)到定時(shí)標(biāo)志位時(shí),給電磁鐵一個(gè)信號(hào)使之產(chǎn)生圓形磁場。并且向步進(jìn)電機(jī)發(fā)射脈沖,通過控制滑軌結(jié)構(gòu)定時(shí)傳遞水杯提醒辦公人員喝水。
4.2.5 屏幕桌面
利用樹莓派驅(qū)動(dòng)大透明屏幕,樹莓派可以通過linux 系統(tǒng)控制對(duì)屏幕建立hdmi 接口,設(shè)計(jì)qt 文件,再利用拓展口對(duì)屏幕進(jìn)行創(chuàng)意顯示,實(shí)現(xiàn)提示輸寫和創(chuàng)意顯示等功能。并且可以利用linux 操作系統(tǒng)在屏幕上顯示日期,通過預(yù)留的鍵盤接口,還可以實(shí)現(xiàn)備忘錄的編寫以及其他信息的留存等功能,并且有主控內(nèi)部的獨(dú)立儲(chǔ)存空間[9]。
全文從項(xiàng)目背景、系統(tǒng)框圖、硬件電路搭配、程序軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真調(diào)試幾個(gè)方面論述了該桌子在智能家居市場的創(chuàng)新點(diǎn)以及優(yōu)秀的競爭力[10]。我們團(tuán)隊(duì)也將不斷創(chuàng)新發(fā)展,力爭設(shè)計(jì)出功能更加強(qiáng)大,更符合現(xiàn)代人日常生活的智能家居。