一種全自動電飯鍋遠程智能控制系統的設計方案

發布時間：2015-1-15 15:20 發布者：designapp

0 引言
隨著物聯網和軟件技術的快速發展，輕松便捷的煮飯方式越來越受人們青睞，智能、環保、節能型高端電飯鍋將會成為未來備受矚目的商品，特別是可遠程控制的全自動智能電飯鍋將會成為未來發展的方向。
目前國內外對智能家居的技術研究較多，多數是用無線數據傳輸技術實現，但系統設計成本高。而對電飯鍋的全自動化技術研究則少之有少，沒有引起人們的重視。本文改造了傳統的電飯鍋，設計了可全自動化控制的電飯鍋，并采用GPRS模塊，普通手機等簡單、廉價的設備開發出了一款可靠性較好的遠程電飯鍋控制系統，能使電飯鍋及時、適量、準確的為人們做飯。
1 系統的硬件構成及原理
系統總體框圖如圖1所示，設計采用的是模塊化的設計思想，有利于系統的組裝和調試，縮短開發周期。

由于電飯鍋信息傳輸的數據量少，時效性要求不是很高，因此系統主要采用基于GSM網絡提供的短信業務。
它的原理如下：手機通過GPRS網絡發送控制短信到GSM模塊中，單片機通過讀GSM模塊取得控制命令字并解析得到明確的命令信息，控制繼電器動作，完成對電飯鍋的控制并以短消息的形式將命令執行情況通過GSM模塊反饋到用戶的手機上。

2 系統的各硬件實現
本系統主要由全自動電飯鍋和智能控制電路系統組成。全自動電飯鍋在傳統電飯鍋的基礎上添加機械裝置改造而成，智能控制電路系統則由電源模塊、GSM模塊、單片機模塊、狀態檢測和控制模塊四個主要部分組成。
2.1 全自動電飯鍋的設計
傳統的電飯鍋無論是保溫自動式、定時保溫式、還是新型的微電腦控制式，在實時方面已得到長足的發展，但仍然存在明顯的缺陷與不足，如定時時間過長會影響飯的口感等，有效地解決目前電飯鍋存在的各種缺陷，是創新與發展的方向。其中電飯鍋的全自動化和遠程智能控制是未來電飯鍋技術發展的一個方向，要實現電飯鍋全自動控制，全自動電飯鍋是前提，本文結合全自動洗衣機的設計思想，在傳統電飯鍋的基礎上，通過增加適當的機械裝置，設計出來的全自動電飯鍋如圖2所示。

設計包括儲米、取米、淘米、放米以及加水裝置。頂端漏斗為儲米裝置，直徑25cm,高12cm,可一次性存放約5kg大米。取米裝置由儲米漏斗底端的電磁鐵實現，電磁鐵選用直流電磁鐵HCNE1-1039,由于卡槽采用傾斜設計，減小了米粒的摩擦阻力。淘米裝置由洗米電機和淘米漏斗構成，其中洗米電機選用TN-40.180/HC685G100618.
放米裝置由電磁鐵和檔桿構成，電磁鐵同樣選用HCNE1-1039,檔桿由可逆電機控制，可以升降，采用行程開關限位，實現電飯鍋鍋蓋的開閉。加水裝置由電磁閥和進水管構成，電磁閥選用2W160-15.總的機械動作有儲米、取米、淘米、放米以及加水等，單片機接收到控制命令后通過I/O輸出高低電平控制繼電器來實現。

2.2 智能控制電路系統的設計
2.2.1 電源模塊設計
GTM900C在上電啟動，登陸GPRS網絡，發送數據等過程中，通常有較高的電流消耗[3],最高達2A,故電源芯片必須滿足至少2A的最大電流供給。電源電路主要由MIC29302-BT組成，其芯片產生3.8V電壓，給單片機和GTM900C模塊供電，如圖3所示，該電路基本能滿足條件。另外1腳是使能端，可接到單片機端口使在不進行聯網時芯片不工作，降低功耗。

2.2.2 單片機模塊設計
系統MCU選用美國德州儀器公司生產的MSP430系列單片機MSP430F149.它是一款低電壓(1.8~3.6V)，高性能16位單片機，其中斷源多，可以任意嵌套，使用時很靈活。此單片機還具有低功耗空閑和掉電模式，支持軟件設置睡眠和喚醒，能滿足本系統需求。
2.3 GSM模塊設計
出于制作成本和兼容性的考慮，系統采用華為公司的GTM900C芯片，由于單片機的I/O口邏輯電平為3.6V,與GTM900C的I/O口2.85V的邏輯電平相差不大，所以無需電平轉換就能進行硬件對接。GSM模塊和單片機的連接較簡單，將兩者串口接好，在單片機端將串口參數設置好即可發送相應的AT指令對模塊進行操作。GSM模塊與單片機的連接情況如圖4所示。通信速率為9600Kb/s,采用8位異步通信方式。

系統上電以后，單片機啟動GTM900C,查詢SIM卡狀態，再控制GTM900C完成模塊初始化單片機進入睡眠狀態。
當有新短消息到達時，由GTM900C模塊向單片機發送指令喚醒，單片機讀取短信內容并解碼，I/O口輸出高低電平，控制繼電器動作，完成對電飯鍋的控制，處理完畢后用指令將短信從SIM卡中刪除，然后重復上述過程。

2.4 狀態檢測與控制模塊設計
本模塊主要包括狀態檢測電路和智能控制電路，狀態檢測電路主要是采集電飯鍋的故障信息與完成狀態信息，分別有“開始煮飯”,“煮飯結束”,“出現故障”等，各模塊采集的數據通過統一的SPI總線傳輸給單片機，由單片機根據各狀態數據編碼后經GPRS網絡發送至手機中。智能控制模塊包括機械控制和煮飯控制兩部分。機械控制主要通過單片機的I/O口輸出高低電平控制繼電器來實現，系統選用HF32FA/005-HS型繼電器，單片機與固態繼電器的接口如圖5所示，圖中驅動電路是為了提高單片機驅動能力和抗干擾能力。

煮飯控制主要是實現電飯鍋的煮飯方式的選擇，包括“精煮”,“快煮”,“稀飯”,“蒸煮”,“粥”等方式，本系統以“美的FD302”智能電飯鍋的控制電路和加熱電路為基礎，外加繼電器實現煮飯方式的選擇，單片機由相應的I/O口輸出高低電平控制相應繼電器接通，短時間后，繼電器斷開，以實現電飯鍋煮飯方式選擇的全自動按鍵功能。

3 系統的軟件設計
軟件設計主要任務是編寫應用程序，本系統的應用程序重點是單片機的程序，其實現的主要功能包括以下幾方面：
(1)對GSM模塊的初始化;
(2)智能控制;
(3)數據通信。
GSM模塊是系統中最關鍵的部件之一，因此對它的初始化操作必須十分仔細[6].單片機通過串口向GTM900C模塊寫入相應的AT設置命令，進行初始化，使模塊成功粘附在GPRS網絡上，獲得網絡運行商分配的動態IP地址，與目的終端建立連接。GTM900C的初始化主要包括如下指令：
(1)ATE,關閉回顯;
(2)AT+CPIN,檢查SIM是否正常;
(3)AT+CGREG設置模塊注冊提示;
(4)AT+CREG測試聯網情況等。除此之外程序還包括CPU的初始化、來短信檢測、外部電源掉電檢測等，軟件系統在初始化CPU時加入了看門狗程序[7],能夠在系統出現問題時自動復位。圖6是主程序的流程圖。

4 系統測試
全自動電飯鍋遠程智能控制系統硬件和軟件設計完成后，需要對系統進行測試，以驗證設計方案的有效性。系統上電后，GPRS網絡指示燈突然熄滅，模塊自動關機，后在供電電壓輸出端接電容去紋波后，模塊正常工作。用SocketTool軟件對無線模塊進行調試，GPRS能順利接通并返回正確的數據。選用酷派8050手機編輯設置米量和煮飯方式的信息“300g,快煮”并發送。單片機收到指令后，完成取米、淘米、放米、加水及煮飯的全部流程，并把煮飯狀態反饋給手機。經過4次測試，煮飯煮完成后，手機分別在7s,9s,11s,10s內收到反饋信息，能基本滿足要求。系統對米量和水量的計量是根據所選擇的煮飯方式并通過單片機對電磁鐵和電磁閥定時控制實現的，測試過程中設置米量300~500g,間隔50g,“快煮”方式，水量設定為米量的1.8倍，即米量為300g時，水量為540mL,依此類推，米量和水量各測試3次，測試值和設定值如表1所示。

從表1可看出，米量、水量的設定值與測試值比較接近，說明利用定時控制進行計量基本準確。通過對電飯鍋遠程控制系統的多次實驗，系統均能按要求完成所有動作，而且米量、水量的計量也是較為準確的，說明該系統遠程通信良好，電飯鍋工作穩定，計量準確。
從實驗結果來看，本文設計的全自動電飯鍋遠程控制系統的方案是可行的。米量和水量的計量采用單片機定時控制替代了復雜的流量控制裝置，使得操作更簡單，提高了系統的穩定性，同時也使得系統成本更低。
5 結語
本文所介紹的一種應用于家庭，使用普通手機對電飯鍋進行遠程全自動智能控制的系統的設計方案，系統用GTM900C發送和接收短信，用單片機MSP430F149控制電飯鍋工作，無需其他設備，用戶使用普通手機即可方便發送中文指令短信遠程遙控電飯鍋，并能及時地以短信的形式收到電飯鍋對用戶指令執行情況的反饋信息。該系統已應用在“電飯鍋節能與遠程控制技術研究及開發”項目中。如用RF芯片進行擴展，則可使全部家用電器接入因特網絡，實現家居的智能化，應用非常廣泛。

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