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(yuǎn)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(jī)等簡單、廉價的設(shè)備開發(fā)出了一款可靠性較好的遠(yuǎn)程電飯鍋控制系統(tǒng)，能使電飯鍋及時、適量、準(zhǔn)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(jī)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制短信到GSM 模塊中，單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yuǎn)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(jī)的設(shè)計思想，在傳統(tǒng)電飯鍋的基礎(chǔ)上，通過增加適當(dāng)?shù)臋C(jī)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25 cm,高12 cm,可一次性存放約5 kg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(jī)和淘米漏斗構(gòu)成，其中洗米電機(jī)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(jī)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(jìn)水管構(gòu)成，電磁閥選用2W160-15.總的機(jī)械動作有儲米、取米、淘米、放米以及加水等，單片機(jī)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(dá)2 A,故電源芯片必須滿足至少2 A 的最大電流供給。電源電路主要由MIC29302 -BT組成，其芯片產(chǎn)生3.8 V電壓，給單片機(jī)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(jī)端口使在不進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時芯片不工作，降低功耗。

2.2.2 單片機(jī)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(jī)MSP430F149.它是一款低電壓(1.8~3.6 V)，高性能16位單片機(jī)，其中斷源多，可以任意嵌套，使用時很靈活。此單片機(jī)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(jī)的I/O口邏輯電平為3.6 V,與GTM900C的I/O口2.85 V的邏輯電平相差不大，所以無需電平轉(zhuǎn)換就能進(jìn)行硬件對接。GSM模塊和單片機(jī)的連接較簡單，將兩者串口接好，在單片機(jī)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(jìn)行操作。GSM模塊與單片機(jī)的連接情況如圖4 所示。通信速率為9 600 Kb/s,采用8位異步通信方式。

系統(tǒng)上電以后，單片機(jī)啟動GTM900C,查詢SIM 卡狀態(tài)，再控制GTM900C 完成模塊初始化單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

當(dāng)有新短消息到達(dá)時，由GTM900C 模塊向單片機(jī)發(fā)送指令喚醒，單片機(jī)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。[!--empirenews.page--]

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(jī)，由單片機(jī)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(jī)中。智能控制模塊包括機(jī)械控制和煮飯控制兩部分。機(jī)械控制主要通過單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(xì)[6].單片機(jī)通過串口向GTM900C 模塊寫入相應(yīng)的AT 設(shè)置命令，進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)，后在供電電壓輸出端接電容去紋波后，模塊正常工作。用Socket Tool 軟件對無線模塊進(jìn)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(jī)編輯設(shè)置米量和煮飯方式的信息“300 g,快煮”并發(fā)送。單片機(jī)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(jī)。經(jīng)過4次測試，煮飯煮完成后，手機(jī)分別在7 s,9 s,11 s,10 s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(jī)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300~500 g,間隔50 g,“快煮”方式，水量設(shè)定為米量的1.8倍，即米量為300 g時，水量為540 mL,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(jìn)行計量基本準(zhǔn)確。通過對電飯鍋遠(yuǎn)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(zhǔn)確的，說明該系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信良好，電飯鍋工作穩(wěn)定，計量準(zhǔn)確。

從實驗結(jié)果來看，本文設(shè)計的全自動電飯鍋遠(yuǎn)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(jī)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(jī)對電飯鍋進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)MSP430F149控制電飯鍋工作，無需其他設(shè)備，用戶使用普通手機(jī)即可方便發(fā)送中文指令短信遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制技術(shù)研究及開發(fā)”項目中。如用RF芯片進(jìn)行擴(kuò)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。