0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，輕松便捷的煮飯方式越來越受人們青睞，智能、環(huán)保、節(jié)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(fā)展的方向。
目前國內(nèi)外對智能家居的技術(shù)研究較多，多數(shù)是用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)，但系統(tǒng)設(shè)計成本高。而對電飯鍋的全自動化技術(shù)研究則少之有少，沒有引起人們的重視。本文改造了傳統(tǒng)的電飯鍋，設(shè)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(shè)備開發(fā)出了一款可靠性較好的遠程電飯鍋控制系統(tǒng)，能使電飯鍋及時、適量、準確的為人們做飯。
1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及原理
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，設(shè)計采用的是模塊化的設(shè)計思想，有利于系統(tǒng)的組裝和調(diào)試，縮短開發(fā)周期。
由于電飯鍋信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，時效性要求不是很高，因此系統(tǒng)主要采用基于GSM網(wǎng)絡(luò)提供的短信業(yè)務(wù)。
它的原理如下：手機通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(zhí)行情況通過GSM模塊反饋到用戶的手機上。
2 系統(tǒng)的各硬件實現(xiàn)
本系統(tǒng)主要由全自動電飯鍋和智能控制電路系統(tǒng)組成。全自動電飯鍋在傳統(tǒng)電飯鍋的基礎(chǔ)上添加機械裝置改造而成，智能控制電路系統(tǒng)則由電源模塊、GSM模塊、單片機模塊、狀態(tài)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(shè)計
傳統(tǒng)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(fā)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(chuàng)新與發(fā)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(shù)發(fā)展的一個方向，要實現(xiàn)電飯鍋全自動控制，全自動電飯鍋是前提，本文結(jié)合全自動洗衣機的設(shè)計思想，在傳統(tǒng)電飯鍋的基礎(chǔ)上，通過增加適當?shù)臋C械裝置，設(shè)計出來的全自動電飯鍋如圖2所示。
設(shè)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(xiàn)，電磁鐵選用直流電磁鐵HCNE1-1039，由于卡槽采用傾斜設(shè)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(gòu)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(gòu)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(guān)限位，實現(xiàn)電飯鍋鍋蓋的開閉。加水裝置由電磁閥和進水管構(gòu)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(xiàn)。
2.2 智能控制電路系統(tǒng)的設(shè)計
2.2.1 電源模塊設(shè)計
GTM900C在上電啟動，登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送數(shù)據(jù)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)時芯片不工作，降低功耗。
2.2.2 單片機模塊設(shè)計
系統(tǒng)MCU選用美國德州儀器公司生產(chǎn)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(shè)置睡眠和喚醒，能滿足本系統(tǒng)需求。
2.3 GSM模塊設(shè)計
出于制作成本和兼容性的考慮，系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)設(shè)置好即可發(fā)送相應(yīng)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(tǒng)上電以后，單片機啟動GTM900C，查詢SIM卡狀態(tài)，再控制GTM900C完成模塊初始化單片機進入睡眠狀態(tài)。
當有新短消息到達時，由GTM900C模塊向單片機發(fā)送指令喚醒，單片機讀取短信內(nèi)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(fù)上述過程。
2.4 狀態(tài)檢測與控制模塊設(shè)計
本模塊主要包括狀態(tài)檢測電路和智能控制電路，狀態(tài)檢測電路主要是采集電飯鍋的故障信息與完成狀態(tài)信息，分別有“開始煮飯”，“煮飯結(jié)束”，“出現(xiàn)故障”等，各模塊采集的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的SPI總線傳輸給單片機，由單片機根據(jù)各狀態(tài)數(shù)據(jù)編碼后經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(xiàn)，系統(tǒng)選用HF32FA/005-HS型繼電器，單片機與固態(tài)繼電器的接口如圖5所示，圖中驅(qū)動電路是為了提高單片機驅(qū)動能力和抗干擾能力。
煮飯控制主要是實現(xiàn)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(tǒng)以“美的FD302”智能電飯鍋的控制電路和加熱電路為基礎(chǔ)，外加繼電器實現(xiàn)煮飯方式的選擇，單片機由相應(yīng)的I/O口輸出高低電平控制相應(yīng)繼電器接通，短時間后，繼電器斷開，以實現(xiàn)電飯鍋煮飯方式選擇的全自動按鍵功能。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要任務(wù)是編寫應(yīng)用程序，本系統(tǒng)的應(yīng)用程序重點是單片機的程序，其實現(xiàn)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(shù)據(jù)通信。
GSM 模塊是系統(tǒng)中最關(guān)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(yīng)的AT設(shè)置命令，進行初始化，使模塊成功粘附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運行商分配的動態(tài)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(guān)閉回顯;
(2)AT+CPIN，檢查SIM是否正常;
(3)AT+CGREG設(shè)置模塊注冊提示;
(4)AT+CREG測試聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)在初始化CPU時加入了看門狗程序[7]，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時自動復(fù)位。圖6是主程序的流程圖。
4 系統(tǒng)測試
全自動電飯鍋遠程智能控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計完成后，需要對系統(tǒng)進行測試，以驗證設(shè)計方案的有效性。系統(tǒng)上電后，GPRS網(wǎng)絡(luò)指示燈突然熄滅，模塊自動關(guān)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(diào)試，GPRS能順利接通并返回正確的數(shù)據(jù)。選用酷派8050手機編輯設(shè)置米量和煮飯方式的信息“300g，快煮”并發(fā)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(tài)反饋給手機。經(jīng)過4次測試，煮飯煮完成后，手機分別在7s，9s，11s，10s內(nèi)收到反饋信息，能基本滿足要求。系統(tǒng)對米量和水量的計量是根據(jù)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(xiàn)的，測試過程中設(shè)置米量 300~500g，間隔50g，“快煮”方式，水量設(shè)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(shè)定值如表1所示。
從表1可看出，米量、水量的設(shè)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(tǒng)的多次實驗，系統(tǒng)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(tǒng)遠程通信良好，電飯鍋工作穩(wěn)定，計量準確。
從實驗結(jié)果來看，本文設(shè)計的全自動電飯鍋遠程控制系統(tǒng)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(fù)雜的流量控制裝置，使得操作更簡單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也使得系統(tǒng)成本更低。
5 結(jié)語
本文所介紹的一種應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計方案，系統(tǒng)用GTM900C發(fā)送和接收短信，用單片機 MSP430F149控制電飯鍋工作，無需其他設(shè)備，用戶使用普通手機即可方便發(fā)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(zhí)行情況的反饋信息。該系統(tǒng)已應(yīng)用在“電飯鍋節(jié)能與遠程控制技術(shù)研究及開發(fā)”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(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家居的智能化，應(yīng)用非常廣泛。
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