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項目簡介：

我們本項目的設備開發(fā)是以嵌入式技術為核心，利用網(wǎng)絡優(yōu)勢在手機客戶端、洗衣機智能控制終端實現(xiàn)常規(guī)洗衣機的遠程操控、遠程故障分析診斷及相應的處理。

我們的設計思路是：先確定選擇雙系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流所使用的無線通信模塊以及用于遠程控制的模組。最終論證及確定總體方案。無線通信將會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及近遠程控制的及時性?？紤]到人性化設計以及現(xiàn)代工藝的質量進行選擇人機交互的方式以及安裝使用的可實現(xiàn)性。對于外圍設備的選擇，主要考慮到硬件上所使用的數(shù)據(jù)傳輸方式、傳輸速率、傳輸字長和位數(shù)。根據(jù)現(xiàn)實情況以及對于需要的資源分析進行確定所需處理器。

基于對上述要求的分析與研究，整體系統(tǒng)上分為智能終端子系統(tǒng)由七大模塊構成：系統(tǒng)供電電路、處理器系統(tǒng)電路、串口調(diào)試電路、音頻輸出電路、無線通信電路、聲光指示電路以及人機交互。洗衣機設備端也是由七大部分構成：系統(tǒng)供電電路、雙系統(tǒng)無線通信電路、傳感器信號采集輸入電路、處理器系統(tǒng)電路、驅動輸出控制電路、聲光指示電路以及人機交互。

無線通信包括藍牙模組、WIFI模組以及SIM800A模塊。WiFi模組安裝在洗衣機設備控制端，SIM800A模塊裝在智能終端，兩者結合用于實現(xiàn)雙通道遠程控制。

硬件說明：

整體效果（洗衣機智能終端）：

注：作品具體效果詳見視頻

1、系統(tǒng)電源電路

物聯(lián)網(wǎng)洗衣機智能終端的電源采用12V大容量聚合物鋰電池供電，因為GSM模塊正常時需要5V電源，而且SIM800A模塊的突發(fā)耗電的最大電流能夠達到2A，所以外加的開關電源要足以提供SIM800A模塊及其他額定電流的條件。本終端子系統(tǒng)中，所選擇使用的電源是輸出電壓12V，輸出電流6.8A的大容量聚合物電池通過LM2596降壓到5V給GSM模塊以及其他需要5V電源的電路供電。使用如圖1所示的LM2596開關電源電路，開關電源芯片LM2596輸出穩(wěn)定紋波小，廣泛應用于車載、中小型等高壓差電子設備中。

本系統(tǒng)中的處理器系統(tǒng)單元以及WIFI模組等需要3.3v電源供電，采用兩個LDO電源芯片AMS1117作為數(shù)字電源和模擬電源分別給單片機系統(tǒng)電路及音頻模塊提供3.3V電源。物聯(lián)網(wǎng)洗衣機設備控制端采用12V電源適配器提供12V直流電，然后經(jīng)過LM2596和AMS-1117芯片分別提供穩(wěn)定的5v和數(shù)字與模擬雙3.3v電源。

  圖1 LM2596典型應用電路

輸出電壓的計算可由下式給出： 

                    (3.1)

其中：=1.23V，   

由上式可得                     

  (3.2)

為了給整個硬件系統(tǒng)提給穩(wěn)定可靠的電源，對硬件系統(tǒng)電源地做合理的處理是很有必要的，否則將會影響數(shù)據(jù)的通信、軟硬件的調(diào)試甚至會導致PCB板成為廢板。12V電源輸入電路采用肖特基二極管SS14以及SMBJ12A進行防反接以及防瞬間浪涌的保護設計，具體電源系統(tǒng)電路如下所示。

12V電源輸入及數(shù)字地與模擬地隔離電路如圖2所示。

圖2 12V電源輸入及數(shù)字地與模擬地隔離電路圖

12伏適配器或大容量電池電源轉5伏電源的電路原理圖如圖3所示。

圖3 12伏轉5伏電源原理圖

3.3V穩(wěn)壓電路如圖4所示。

                                                 圖4 3.3V穩(wěn)壓電路圖

2、單片機系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)采用STM32F4系列單片機作為雙系統(tǒng)的處理器，STM32F407ZGT6單片機優(yōu)異的性能決定了本物聯(lián)網(wǎng)智能洗衣機控制系統(tǒng)樣機的最終平臺。STM32F407具有168Mhz的主頻，多達192KB的片內(nèi)SRAM、具有高速OTG等相當多的資源。更重要的是F4相對于F1的處理器而言具有更低的功耗。

本系統(tǒng)單片機核心系統(tǒng)模塊包括復位電路、備用電池電路以及很重要的11個電源的濾波電容等。單片機處理系統(tǒng)電路是單片機能正常工作的最簡的電路，電路連接如圖5所示。

圖5 單片機核心系統(tǒng)電路

3、人機交互模塊

本設計中都是使用帶有觸摸屏的4.3寸液晶屏作為人機交互模塊。用戶可以通過觸摸屏方便操控整個物聯(lián)網(wǎng)設備系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)智能控制終端設計有多個功能界面，通過選擇不同的界面即可使用各個功能。多功能界面的設計，使得使用者對終端的操作更加明了。

3.1觸摸屏輸入

       本設計中采用的均是電容觸摸屏，電容觸摸屏是按照兩個交叉的電極矩陣進行檢測每一格感應單元的電容變換從而得到相應的觸摸值。

       電容觸摸屏相比較于電阻屏市場價格很高、也沒有較高的抗干擾能力，但是手感好、無需像電阻屏一樣進行校準而且電容觸摸屏的透光性較好。所以觸摸屏選擇電容式觸摸屏，更有利于用戶的使用體驗。

3.2  4.3寸LCD液晶屏

本模塊的主要用途是用于調(diào)試軟硬件以及完成對整個系統(tǒng)的操控、顯示洗衣機工作狀況及相關傳感器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設計時參考了許多文獻及數(shù)據(jù)手冊，采用了合理的硬件設計及軟件設計，所以在使用彩屏時也可以得到更快的刷屏速度。LCD屏的RST信號線設計在STM32F407ZGT6的復位腳上面進行資源的節(jié)約。對于液晶屏的使用其實就是畫點與讀點操作。所以，可以使用液晶屏自帶的例程進行設計自己的智能畫圖等，簡便的庫函數(shù)接口以及靈活的運用使得LCD液晶屏增添了整個系統(tǒng)的使用體驗。在人機交互這一設計中很重要的一塊便是STM32F407芯片自帶的FSMC接口資源。因此，就可以將LCD屏當做SRAM進行控制使用。相較于STM32F103RCT6驅動LCD屏，會有更快的刷新速度。人機交互電路如圖6所示。人機交互界面效果如圖7所示。

                        圖6  LCD液晶屏電路

圖7  LCD屏界面效果圖

4、通信模組及網(wǎng)絡通信結構

嵌入式WIFI模組和GSM模組在系統(tǒng)的設計中是用于進行命令、參數(shù)等協(xié)議數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，是設備數(shù)據(jù)同云服務器之間通訊的中轉站。

對于嵌入式WIFI模組的工作流程是：洗衣機設備端上電、WiFi模組請求設備信息、設備回復WiFi模組信息、設備正常工作不斷回復WiFi模組的心跳包、WiFi模組網(wǎng)絡狀態(tài)變化通知設備處理器STM32F407，然后，進行配置入網(wǎng)。配置入網(wǎng)流程如圖8所示。WiFi模組電路原理圖，如圖9所示。物聯(lián)網(wǎng)洗衣機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖10所示。

圖8  WiFi配置入網(wǎng)流程 

                       圖9 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖

                                                       圖10 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖

5、串口調(diào)試模塊設計

該模塊電路主要是為了方便系統(tǒng)開發(fā)中樣機的調(diào)試。串口通訊調(diào)試電路中的芯片選擇的是國產(chǎn)CH340G芯片，因為其具有較強的穩(wěn)定性，所以在調(diào)試時使用相當穩(wěn)定高效。此模塊的一鍵下載電路，實現(xiàn)了無需手動設置BOOT0以及使用復位按鍵就可以直接下載程序到單片機。因為系統(tǒng)工程龐大，所以選擇設計了這塊電路，方便通過USB口連接計算機上的串口調(diào)試軟件進行調(diào)試系統(tǒng)，串口調(diào)試模塊的電路如圖11所示。

圖11  串口調(diào)試電路圖

6、報警指示電路設計

此部分電路是為了反映相應軟硬件系統(tǒng)出現(xiàn)異常而增加的指示電路，其中蜂鳴器還用于提示相應觸摸鍵的響應提示。紅色LED用于指示系統(tǒng)電源的工作狀況，雙綠色與雙黃色LED分別用于指示W(wǎng)iFi與GSM的工作狀態(tài)，報警指示電路原理圖如圖3.12所示。

   圖12  報警指示電路原理圖

7、音頻編解碼電路模塊

因為STM32F407自帶兩路I2S總線，即集成電路內(nèi)置音頻總線資源。因此本電路模塊采用低功耗、高性能立體聲多媒體數(shù)字信號編碼器WM8978芯片，該芯片采用I2S接口與MCU進行連接完成音頻解碼以及驅動40mW耳機和8Ω/0.9W喇叭，減少了外部功放電路的使用。音頻解碼電路如圖13所示。

圖13  音頻解碼電路原理圖

8、信號采集電路模塊

溫濕度傳感器、水位傳感器以及紅外傳感器等常用的環(huán)境監(jiān)測模塊構成了信號采集模塊，其中，溫濕度傳感器在本系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的檢測，用于衡量天氣情況以便對洗衣情況的掌握?？紤]到精度、可靠性以及性價比，最終選擇DHT11用于環(huán)境溫濕度的檢測。

DHT11輸出的信號易于采集利用，并且板載電源滿足DHT11傳感器工作電壓要求。對于本系統(tǒng)的研究要求DHT11傳感器能夠滿足樣機。溫濕度傳感器的電路原理圖，如圖14所示。

圖14  溫濕度采集電路圖

1、智能終端系統(tǒng)主程序設計

智能終端主控采用MDK5.2 平臺開發(fā)，采用的是uCOS-III操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)占用資源多但是具有較高的實時性，總是執(zhí)行最重要的就緒任務。軟件系統(tǒng)中采用多個功能界面相結合的方式設計，這樣便于使用者進行設備的操作。在系統(tǒng)的初始化中做了大量的優(yōu)化，最終系統(tǒng)上電后大約經(jīng)過2秒初始化后即可進入啟動歡迎界面，其部分初始化啟動代碼如下：

在本終端系統(tǒng)內(nèi)部開辟了多個主要的任務，開始任務在創(chuàng)建其他任務后就自動刪除自身任務的執(zhí)行，監(jiān)測任務是用于不斷監(jiān)測執(zhí)行要求不高但是需要實時監(jiān)控的任務，從主任務進入系統(tǒng)的其他各個功能模塊。系統(tǒng)程序入口及其開始任務代碼如下：

為了提高GSM的實時性，將來電及短信監(jiān)測放在監(jiān)測任務中。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

                                                  圖1 洗衣機智能終端系統(tǒng)流程圖

2 智能終端系統(tǒng)洗衣機操控程序設計

洗衣機主控板采用mbed網(wǎng)頁開發(fā)平臺進行洗衣機主控板的需求配置，通過洗衣機主控板的串口資源連接WiFi模塊，并進入進入透傳模式進行數(shù)據(jù)傳輸。首先建立洗衣機操控界面，然后進入洗衣機操控任務。通過不斷檢測觸摸屏鍵值得到響應洗衣機指令的下達，終端向洗衣機下達的操控指令是通過串口資源完成。向串口2發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)，協(xié)議數(shù)據(jù)通過藍牙無線發(fā)送給洗衣機設備端實現(xiàn)對洗衣機的近距離控制。同時，通過不斷檢測串口2，得到設備通過藍牙傳回的數(shù)據(jù)從而可以分析判斷出洗衣機的工作狀況。洗衣機操控任務程序設計如下：

演示視頻地址：

http://www.iqiyi.com/w_19rvjtrxyd.html#vfrm=16-1-1-1

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