淺談老舊家電智能化改造控制系統(tǒng)

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(jìn)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(shí)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(gè)必要的手段。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該研究設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行比較分析，對食物類別及數(shù)量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，控制各功能模塊及數(shù)據(jù)，從而達(dá)到智能家居控制，自動調(diào)節(jié)溫度、濕度、亮度，按要求運(yùn)行家電以及數(shù)據(jù)提示的功能。Android 手機(jī)與控制系統(tǒng)通過Wi-Fi 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置與傳輸，實(shí)現(xiàn)各家電運(yùn)行情況及家中參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

該設(shè)計(jì)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(diǎn)。其接口可以進(jìn)行各種外設(shè)實(shí)驗(yàn)，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(jī)App 進(jìn)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(shí)、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(gè)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(jī)App 完成預(yù)設(shè)。

可通過Android 手機(jī)App 實(shí)時(shí)監(jiān)測測量數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和家電運(yùn)行狀態(tài)。

2 改造方案設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)驗(yàn)

2.1 改造方案設(shè)計(jì)

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(jìn)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(jìn)行預(yù)設(shè)值自動控制，利用Android 手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測、顯示和控制家電的運(yùn)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(shí)用外接電路補(bǔ)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(jìn)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(jī)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的性能有著直接影響，是時(shí)間控制和串行通信的關(guān)鍵。目前市面上有多種單片機(jī)，包括STM32、AVR、51 等，其中STM32 單片機(jī)的性能高于其他類型的單片機(jī)，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(yùn)行等優(yōu)勢，同時(shí)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(jī)。硬件的具體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)單個(gè)處理終端對多個(gè)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(jìn)行控制。STM32 單片機(jī)具有高性能、高速度的特點(diǎn)，特別是A/D 轉(zhuǎn)換和串行口功能，主要控制所有傳感器、計(jì)時(shí)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(jī)和手機(jī)發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)改造單元及實(shí)現(xiàn)功能

2.2.1 對家用空調(diào)進(jìn)行改造

在該次設(shè)計(jì)中，空調(diào)是改造的重點(diǎn)，因?yàn)槔鲜娇照{(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(jìn)行改造，加裝接收器，實(shí)現(xiàn)手機(jī)操控。并通過溫度傳感器實(shí)時(shí)測量家中的溫度，通過單片機(jī)進(jìn)行分析，給遙控器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)變頻。

2.2.2 對家用熱水器進(jìn)行改造

因?yàn)榧抑欣吓f熱水器沒有電腦板植入，無法對溫度區(qū)間進(jìn)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(shí)間進(jìn)行了多次測量，通過接入繼電器實(shí)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(jī)對時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，做到上班時(shí)間與晚上區(qū)別供電，實(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)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(dú)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(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能。1）智能人體感應(yīng)。2）廚房定時(shí)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(shí)間控制，利用開發(fā)板上的按鍵來實(shí)現(xiàn)廚房的便捷計(jì)時(shí)。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(dá)到減少浪費(fèi)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(jìn)行控制。單片機(jī)開啟后，系統(tǒng)能夠通過傳感器對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)上述功能，達(dá)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(jī)，并能夠通過移動通信傳輸?shù)绞謾C(jī)上，實(shí)現(xiàn)液晶屏、主機(jī)和手機(jī)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(jì)的智能家居控制系統(tǒng)，應(yīng)用手機(jī)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(shí)時(shí)了解和控制用戶的家居情況。通過系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。通過I/O 口，將單片機(jī)與Wi-Fi 模塊、DHT11 溫濕度傳感器進(jìn)行連接。程序代碼寫到STM32 單片機(jī)開發(fā)板上。打開手機(jī)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(yùn)行良好，符合智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)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。