2021-05-23鄧然邵新宇於建光朱穎坤
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關鍵詞:無線通信冰箱微控制器
鄧然邵新宇於建光朱英坤
互聯網技術的日益發展帶動了智能冰箱的市場份額，家電接入物聯網進入高速市場化發展期，具有無線通信模塊的智能家電迎來了發展期。智能冰箱可以在不同模式間切換，自動適應不同環境，始終保持食物的最佳儲存狀態。通過電腦或手機，可以監控冰箱裏食物的數量和質量，為用戶提供健康食譜，通過網絡下單補充食材，分享食物。本系統的目的是設計壹個智能冰箱系統。選用高性能的STM32單片機構建系統，使冰箱內的環境參數保持恒定，並通過智能手段查看數據。利用DS18B20傳感器測量冷凍室溫度。DHT11傳感器可以測量保鮮室內的溫度和濕度，可以通過屏幕查看當前的溫度和濕度。根據測量結果，設備自動啟動，實現制冷和除霜。通過Wifi無線通信，終端設備可以查看數據。
關鍵詞:冰箱；溫度；單片機；無線通信
1簡介
1.1項目研究的背景和意義
隨著人們對智能新技術的依賴和需求不斷增加。智能家居已經成為人們追求的目標。智能家居以家庭住宅為平臺，應用多種成熟技術、智能硬件和智能終端，形成智能家居系統。目前，隨著國民經濟的快速發展，在節能、減排、環保、綠色低碳的要求下，智能家居控制設備逐漸成為住宅行業未來發展的重點。
1.2智能冰箱的研究現狀
國外對智能家居的研究從1980開始，到現在已經發展了30多年，比國內起步早，經歷了四次技術變革。
第三種智能家居技術是應用最廣泛的智能家居產品，實現了對家中所有設備的統壹控制。而第四種技術采用的是IP技術，在壹些發達國家已經有了，並有相應的產品。
2013年4月，三星推出了壹款名為T9000的智能冰箱。除了外觀上的四門設計，最吸引眼球的是冰箱裝載了Android系統。冰箱的門上配有10英寸觸摸屏，支持WiFi網絡連接，自帶筆記應用Evernote。
海信也在2012 11推出了博納SMART智能冰箱。這種冰箱可以配備IOT雲服務，並引入新的食品管理功能。2015年，海爾公司發布了“新廚房”互聯網智能冰箱，擁有10寸屏幕和立體聲揚聲器。通過這個電子屏幕，可以進行視聽娛樂、生活咨詢查詢、網絡互動。
1.3的主要研究內容
基於單片機的智能冰箱的設計與實現，DS18B20溫度傳感器采集冰箱內的溫度，DHT11溫濕度傳感器采集冰箱內的溫濕度，並將數據傳輸到STM32F103主控單元模塊，有機發光二極管液晶顯示數據。根據不同的數據控制制冷設備和除霜設備，並將數據無線傳輸到終端設備顯示，達到恒溫恒濕的效果。
2.智能冰箱總體方案設計
根據智能冰箱的特點，家庭冰箱的數據傳輸要求通信方式具有數據量小、傳輸距離近、節點多、安全系數高的特點，而無線通信具有自組織、多節點、低功耗、時延短的特點，無疑是智能家居內網通信方式的最佳選擇，因此在智能家居的通信方式中采用了WiFi等無線通信方式的組合。
2.1系統分析
該系統主要由以下幾部分組成:智能冰箱、遠程服務器和智能移動終端(智能手機或PAD)。該系統以STM32F103單片機為控制核心，采用DHTIl數字溫度傳感器采集溫度信號，送入單片機進行處理和顯示。然後通過單片機的串口將數據發送到串口轉Wi-Fi數據傳輸模塊，該模塊收發無線數據。無線路由器中繼路由，遠程服務器處理收發數據並與智能移動終端通信，智能移動終端對冰箱進行遠程控制和遠程狀態顯示。智能冰箱控制系統和無線系統的結構框圖如圖2-1所示。
2.2無線通信方案選擇
這個系統采用無線通信方式進行通信，將傳感器采集的數據通過無線方式傳輸到手機上進行顯示，同時通過這個無線方式進行控制。
無線網絡
WiFi風靡全球，與其固有的特性密不可分。與其他無線通信技術相比，WiFi具有傳輸速度快、功耗極低、無線鏈路更好、信號可靠性高等優點。無線通信方案采用Wifi無線通信模式。
2.3智能冰箱硬件選擇
在智能冰箱系統的設計中，硬件選型主要包括控制器芯片、溫度傳感器和WIFI芯片。同壹個功能可以選擇不同的硬件，但是好的硬件對整個系統的穩定性、功耗、經濟成本都是非常重要的，所以硬件的選擇對於本研究方案來說是非常重要的。
2.3.1控制器芯片選擇
該微處理器功能強大，價格低廉，工作電壓為2 ~ 3.6V，具有多種省電模式，保證了低功耗的應用，工作環境溫度為-40℃ ~+80℃/-40℃ ~+105℃，說明無論冬夏都能穩定運行。
主要有以下優點:
(1)低成本
(2)功能強大
(3)成熟的技術
(4)功耗相對較低。
2.3.2制冷機房溫濕度傳感器的選擇
DHT11溫濕度傳感器也是壹種帶校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。數字模塊采集技術和溫濕度傳感器技術保證了產品具有良好的可靠性和穩定性。DHT11溫濕度傳感器如圖2-3所示。
2.3.3冷凍機溫度傳感器的選擇
冰櫃需要冷凍食物，低溫檢測需要選擇合適量程的傳感器。DS18B20是壹種常用的數字溫度傳感器，其輸出為數字信號，具有體積小、硬件成本低、抗幹擾能力強、精度高等特點。
Wifi模塊選擇
ATK-ESP8266是壹個高性能的串口無線模塊。它板載ESP8266模塊，通過串口與主控芯片通信，方便與主控芯片連接。最終選擇ATK-ESP8266作為系統的WiFi模塊。
2.4系統軟件選擇
STM32主控芯片的開發采用Keil u Vision5開發環境。主要針對ARM處理器，尤其是以ARM Cortex-M為內核的處理器。Keilu Vision5兼容Keil u Vision4，並在Keil u Vision4的基礎上，加強了對Cortex-M微控制器開發的支持，將傳統的開發模式和界面分為MDK內核和軟件包兩部分。
經過方案討論，最終確定了智能冰箱系統的設計方案。硬件框圖如圖2-6所示。
3系統軟件設計
本文在開發STM32主控芯片時，軟件設計選擇了Keil u Vision5開發環境。JLINK模擬器用於研究。在系統設計的過程中，應用了模塊化的設計思想，也就是說，系統中的每個環節都是由子功能的調用來發揮作用的。
3.1軟件總體設計
Keil u Vision5是Keil公司於2013年6月推出的壹款集成開發工具，主要針對使用u Vision5 IDE。主要針對ARM處理器，尤其是以ARM Cortex-M為內核的處理器。
Keilu Vision5兼容Keil u Vision4，並在Keil u Vision4的基礎上，加強了對Cortex-M微控制器開發的支持，將傳統的開發模式和界面分為MDK內核和軟件包兩部分。
JLINK仿真器是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，主要用於支持ARM核芯片的仿真，可以支持KEIL、ADS等多種集成開發環境下的大部分ARM系列內核的仿真。
4結論
本文設計了壹種簡單、實用、低成本的智能冰箱系統。該系統采用STM32作為硬件平臺，配合嵌入式操作系統實現智能控制的基本功能。系統不追求華麗的外觀，主要是價格低，簡單實用，主打中低端市場。本文設計了壹個智能冰箱系統。該系統基於Wifi無線通信技術，實現了集控制和信息管理於壹體的成套設備和控制管理系統，如冰箱內食品環境的溫濕度信息采集、冷藏室和冷凍室溫度的遠程調節和監控、信息提示功能、數據存儲等。它具有安全可靠、能耗低、保鮮效果好、健康衛生的優點。
參考
[1]洪鑫，陳宮。冰箱網絡智能交互設計策略研究[J].機電產品開發與創新，2018，31(01):16-18+22。
[2]，焦，崔，高東華.總結智能冰箱的發展現狀[J]。家電技術，2015，(11): 24-25。
學科類別:黑龍江省教育科學“十四五”重點學科2021。
題目名稱:新工程背景下基於AIOT的物聯網工程專業人才培養模式探索
項目編號為GJB1421618。
哈爾濱華德學院黑龍江哈爾濱150028