基于單片機的智能冰箱系統(tǒng)

鄧然 邵鑫宇 于劍光 朱英坤

摘要：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展帶動了智能冰箱的市場占有率，家電接入物聯(lián)網(wǎng)邁入高速市場化發(fā)展期，從而帶有無線通信模塊的智能家電迎來了發(fā)展期。智能冰箱能夠進行不同模式間切換，自動適應(yīng)不同環(huán)境，始終保持食物最佳儲存狀態(tài)，通過電腦或手機，可以對冰箱內(nèi)食物數(shù)量、質(zhì)量進行監(jiān)控，為用戶提供健康食譜，通過互聯(lián)網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)下單補充食材，并能進行美食分享。本系統(tǒng)旨在設(shè)計一款智能冰箱系統(tǒng)，選用性能較高的STM32單片機進行系統(tǒng)搭建，使冰箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)恒定，可以通過智能化手段查看數(shù)據(jù)。利用DS18B20傳感器實現(xiàn)對冷凍室溫度測量。DHT11傳感器實現(xiàn)對保鮮室內(nèi)溫濕度測量，可以通過屏幕查看當(dāng)前溫濕度。根據(jù)測量結(jié)果自動啟動設(shè)備實現(xiàn)制冷，除霜。通過Wifi無線通信實現(xiàn)，終端設(shè)備查看數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：冰箱;溫度;單片機;無線通信

1緒論

1.1 課題研究的背景和意義

隨著人們對智能新技術(shù)依賴和需求不斷提高。智能家居成為了人們追求的目標(biāo)。智能家居利用家庭住宅為平臺，將目前多種成熟技術(shù)、智能化硬件、智能終端等進行應(yīng)用，組建成一個智能化家居系統(tǒng)。在目前國家經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，對于家居住宅節(jié)能減排、保護環(huán)境、綠色、低碳等要求下，智能家居控制設(shè)備所體現(xiàn)出的自身優(yōu)越性，逐漸成為住宅行業(yè)未來發(fā)展追求的重點。

1.2 智能冰箱的研究現(xiàn)狀

國外對智能家居的研究從1980年開始，到目前為止已經(jīng)發(fā)展了三十多年，比中國起步早，大概經(jīng)過了四次技術(shù)變化。

智能家居產(chǎn)品使用最多的是第三次智能家居技術(shù)，實現(xiàn)家中所有設(shè)備統(tǒng)一控制，不過第四次技術(shù)中使用IP技術(shù)，在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始研發(fā)，有相應(yīng)的產(chǎn)品。

2013年4月，三星推出了一款名為T9000的智能冰箱，除了冰箱本身在外觀上是四開門的設(shè)計外，最為吸引人眼球的是這款冰箱加載了安卓的系統(tǒng)，這款冰箱門上配備了一塊10英寸的觸摸屏，支持WiFi網(wǎng)絡(luò)的連接，并且有自帶的筆記應(yīng)用程序Evernote

海信也在2012年11月份推出了博納SMART智能冰箱，這款冰箱可以搭載物聯(lián)云服務(wù)，引入全新的食品管理功能。2015年海爾公司發(fā)布“馨廚”互聯(lián)網(wǎng)智能冰箱，自帶10寸屏幕、立體聲揚聲器，通過此電子屏可以進行影音娛樂播放，生活咨詢查詢，以及網(wǎng)絡(luò)交互等。

1.3 主要研究內(nèi)容

基于單片機的智能電冰箱設(shè)計與實現(xiàn)，DS18B20溫度傳感器采集冰箱內(nèi)冷凍室內(nèi)溫度，DHT11溫濕度傳感器采集冰箱冷藏室內(nèi)溫度和濕度，數(shù)據(jù)傳送給STM32F103主控單元模塊，OLED液晶顯示數(shù)據(jù)。根據(jù)不同數(shù)據(jù)可以控制制冷設(shè)備和除霜設(shè)備，同時無線傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備顯示，達(dá)到恒溫恒濕的效果。

2 智能冰箱總方案設(shè)計

根據(jù)智能冰箱的特性可知，家居冰箱數(shù)據(jù)傳輸要求通信方式具有數(shù)據(jù)量小、傳輸距離比較近、節(jié)點多、安全系數(shù)高等特點，而無線通信具有自組網(wǎng)、多節(jié)點、低功耗、短延遲等特點，無疑是智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信方式的最佳選擇，所以在智能家居通信方式上采用WiFi等無線通訊方式相結(jié)合的形式。

2.1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)主要由以下部分組成：智能冰箱、遠(yuǎn)程服務(wù)器及智能移動終端（智能手機或PAD）。系統(tǒng)以STM32F103單片機為控制核心，利用DHTIl數(shù)字式溫度傳感器采集溫度信號，并送入單片機處理后顯示。然后把數(shù)據(jù)通過單片機的串口送入串口轉(zhuǎn)Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊中，由該模塊進行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。無線路由器進行中繼和路由，遠(yuǎn)程服務(wù)器對收發(fā)的數(shù)據(jù)進行處理，并與智能移動終端進行通信，由智能移動終端對冰箱進行遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程狀態(tài)顯示。智能冰箱控制系統(tǒng)及無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。

2.2 無線通信方案選擇

本系統(tǒng)采用無線通信方式通信，將傳感器采集到冰箱的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線方式傳送到手機顯示，同時通過此無線方式，進行控制。

2.2.2 Wifi

WiFi之所以能夠風(fēng)行全球，這與它的固有特性是分不開的，相比于其他無線通信技術(shù)，傳輸速度快、電力消耗非常低、無線鏈路更好的工作、高信號可靠性。采用wifi無線通信方式作為無線通信方案。

2.3 智能冰箱硬件選型

在智能冰箱系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，硬件選擇主要包括控制器芯片、溫度傳感器和WIFI芯片。同一個功能，可以選擇不同的硬件，但是好的硬件對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功耗和經(jīng)濟成本至關(guān)重要，因此，硬件的選擇對于本研究方案至關(guān)重要。

2.3.1控制器芯片選擇

該微處理器功能強大、價格低廉，工作電壓在2～3.6V，具有多種省電模式，這保證了低功耗應(yīng)用，工作環(huán)境溫度在-40℃～+80℃/-40℃～+105℃，這顯示了它可以在寒冬酷暑的季節(jié)穩(wěn)定運行。

主要具有以下幾種優(yōu)勢：

（1）成本低

（2）功能強大

（3）技術(shù)成熟

（4）功耗相對較低。

2.3.2冷藏室溫濕度傳感器選擇

DHT11溫濕度傳感器也是一款含有已經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器部分。具有的數(shù)字模塊的采集技術(shù)與溫濕度傳感器的技術(shù)，保證了產(chǎn)品含有很好的可靠性與穩(wěn)定性。這DHT11溫濕度傳感器如圖2-3所示。

2.3.3冷凍室溫度傳感器選擇

冷凍室需要對食品進行冷凍，所以需要選擇一款量程適合低溫檢測的傳感器。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

2.3.4 Wifi模塊選擇

ATK-ESP8266是一款高性能串口-無線模塊，它板載ESP8266模塊，通過串口和主控芯片通訊，這樣可以很方便和主控芯片進行連接，最終選取ATK-ESP8266作為系統(tǒng)的WiFi模塊。

2.4 系統(tǒng)軟件選型

在 STM32 主控芯片開發(fā)時采用的是Keil u Vision5 開發(fā)環(huán)境。它主要針對 ARM 處理器，特別是采用 ARM Cortex-M 作為內(nèi)核的處理器。Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基礎(chǔ)上，加強了對 Cortex-M微控制器開發(fā)的支持，并且把傳統(tǒng)的開發(fā)模式和界面分成了 MDK Core 和Software Packs 兩部分。

經(jīng)過方案討論，最后制定了最終智能冰箱系統(tǒng)設(shè)計方案。硬件框圖如圖2-6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文軟件設(shè)計選擇在STM32主控芯片開發(fā)時采用的是Keil u Vision5開發(fā)環(huán)境。采用JLINK仿真器進行研究。在進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中應(yīng)用了模塊化的設(shè)計思路，也就是說系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)由子函數(shù)的調(diào)用發(fā)揮作用。

3.1 軟件總體設(shè)計

Keil u Vision5是keil公司2013年10月推出的一款主要針對使用u Vision5 IDE 集成開發(fā)工具，它主要針對ARM處理器，特別是采用ARM Cortex-M作為內(nèi)核的處理器。

Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基礎(chǔ)上，加強了對Cortex-M微控制器開發(fā)的支持，并且把傳統(tǒng)的開發(fā)模式和界面分成 MDK Core 和Software Packs 兩部分。

JLINK仿真器是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，主要是為支持仿真ARM內(nèi)核芯片，能在KEIL、ADS等多種集成開發(fā)環(huán)境下支持大部分ARM系列內(nèi)核的仿真。

4結(jié)論

本文設(shè)計一款簡單實用價格低廉的智能冰箱系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32 作為硬件平臺，配合嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制的基本功能。該系統(tǒng)不追求華麗外表，主要是價格低廉、簡單實用，著眼于低端市場。本文設(shè)計了一種智能冰箱系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Wifi無線通信技術(shù)實現(xiàn)冰箱內(nèi)食品環(huán)境溫濕度信息采集、冷藏室和冷凍室等溫度遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與監(jiān)控、信息提示功能、數(shù)據(jù)存儲等集控制和信息管理于一體，全方位全過程數(shù)據(jù)質(zhì)控的成套設(shè)備及控制管理系統(tǒng)，具有安全可靠、能耗低、保鮮效果好、健康衛(wèi)生等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

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課題類別：黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點課題

課題名稱：新工科背景下基于AIOT的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究

課題編號GJB1421618

哈爾濱華德學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150028