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項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

我們本項(xiàng)目的設(shè)備開發(fā)是以嵌入式技術(shù)為核心，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)在手機(jī)客戶端、洗衣機(jī)智能控制終端實(shí)現(xiàn)常規(guī)洗衣機(jī)的遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程故障分析診斷及相應(yīng)的處理。

我們的設(shè)計(jì)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(yuǎn)程控制的模組。最終論證及確定總體方案。無線通信將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及近遠(yuǎn)程控制的及時(shí)性。考慮到人性化設(shè)計(jì)以及現(xiàn)代工藝的質(zhì)量進(jìn)行選擇人機(jī)交互的方式以及安裝使用的可實(shí)現(xiàn)性。對(duì)于外圍設(shè)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(zhǎng)和位數(shù)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況以及對(duì)于需要的資源分析進(jìn)行確定所需處理器。

基于對(duì)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(gòu)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(jī)交互。洗衣機(jī)設(shè)備端也是由七大部分構(gòu)成：系統(tǒng)供電電路、雙系統(tǒng)無線通信電路、傳感器信號(hào)采集輸入電路、處理器系統(tǒng)電路、驅(qū)動(dòng)輸出控制電路、聲光指示電路以及人機(jī)交互。

無線通信包括藍(lán)牙模組、WIFI模組以及SIM800A模塊。WiFi模組安裝在洗衣機(jī)設(shè)備控制端，SIM800A模塊裝在智能終端，兩者結(jié)合用于實(shí)現(xiàn)雙通道遠(yuǎn)程控制。

硬件說明：

整體效果（洗衣機(jī)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(jī)智能終端的電源采用12V大容量聚合物鋰電池供電，因?yàn)镚SM模塊正常時(shí)需要5V電源，而且SIM800A模塊的突發(fā)耗電的最大電流能夠達(dá)到2A，所以外加的開關(guān)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(guān)電源電路，開關(guān)電源芯片LM2596輸出穩(wěn)定紋波小，廣泛應(yīng)用于車載、中小型等高壓差電子設(shè)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(gè)LDO電源芯片AMS1117作為數(shù)字電源和模擬電源分別給單片機(jī)系統(tǒng)電路及音頻模塊提供3.3V電源。物聯(lián)網(wǎng)洗衣機(jī)設(shè)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(yīng)用電路

輸出電壓的計(jì)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(gè)硬件系統(tǒng)提給穩(wěn)定可靠的電源，對(duì)硬件系統(tǒng)電源地做合理的處理是很有必要的，否則將會(huì)影響數(shù)據(jù)的通信、軟硬件的調(diào)試甚至?xí)?dǎo)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(jìn)行防反接以及防瞬間浪涌的保護(hù)設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)5伏電源的電路原理圖如圖3所示。

圖3 12伏轉(zhuǎn)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(jī)系統(tǒng)模塊

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

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

圖5 單片機(jī)核心系統(tǒng)電路

3、人機(jī)交互模塊

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

3.1觸摸屏輸入

       本設(shè)計(jì)中采用的均是電容觸摸屏，電容觸摸屏是按照兩個(gè)交叉的電極矩陣進(jìn)行檢測(cè)每一格感應(yīng)單元的電容變換從而得到相應(yīng)的觸摸值。

       電容觸摸屏相比較于電阻屏市場(chǎng)價(jià)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(jìn)行校準(zhǔn)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(yàn)。

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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操控、顯示洗衣機(jī)工作狀況及相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考了許多文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)手冊(cè)，采用了合理的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，所以在使用彩屏?xí)r也可以得到更快的刷屏速度。LCD屏的RST信號(hào)線設(shè)計(jì)在STM32F407ZGT6的復(fù)位腳上面進(jìn)行資源的節(jié)約。對(duì)于液晶屏的使用其實(shí)就是畫點(diǎn)與讀點(diǎn)操作。所以，可以使用液晶屏自帶的例程進(jìn)行設(shè)計(jì)自己的智能畫圖等，簡(jiǎn)便的庫(kù)函數(shù)接口以及靈活的運(yùn)用使得LCD液晶屏增添了整個(gè)系統(tǒng)的使用體驗(yàn)。在人機(jī)交互這一設(shè)計(jì)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(dāng)做SRAM進(jìn)行控制使用。相較于STM32F103RCT6驅(qū)動(dòng)LCD屏，會(huì)有更快的刷新速度。人機(jī)交互電路如圖6所示。人機(jī)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(luò)通信結(jié)構(gòu)

嵌入式WIFI模組和GSM模組在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是用于進(jìn)行命令、參數(shù)等協(xié)議數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，是設(shè)備數(shù)據(jù)同云服務(wù)器之間通訊的中轉(zhuǎn)站。

對(duì)于嵌入式WIFI模組的工作流程是：洗衣機(jī)設(shè)備端上電、WiFi模組請(qǐng)求設(shè)備信息、設(shè)備回復(fù)WiFi模組信息、設(shè)備正常工作不斷回復(fù)WiFi模組的心跳包、WiFi模組網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化通知設(shè)備處理器STM32F407，然后，進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)圖

                                                       圖10 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5、串口調(diào)試模塊設(shè)計(jì)

該模塊電路主要是為了方便系統(tǒng)開發(fā)中樣機(jī)的調(diào)試。串口通訊調(diào)試電路中的芯片選擇的是國(guó)產(chǎn)CH340G芯片，因?yàn)槠渚哂休^強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以在調(diào)試時(shí)使用相當(dāng)穩(wěn)定高效。此模塊的一鍵下載電路，實(shí)現(xiàn)了無需手動(dòng)設(shè)置BOOT0以及使用復(fù)位按鍵就可以直接下載程序到單片機(jī)。因?yàn)橄到y(tǒng)工程龐大，所以選擇設(shè)計(jì)了這塊電路，方便通過USB口連接計(jì)算機(jī)上的串口調(diào)試軟件進(jìn)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(bào)警指示電路設(shè)計(jì)

此部分電路是為了反映相應(yīng)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(yīng)觸摸鍵的響應(yīng)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(bào)警指示電路原理圖如圖3.12所示。

   圖12  報(bào)警指示電路原理圖

7、音頻編解碼電路模塊

因?yàn)镾TM32F407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(hào)編碼器WM8978芯片，該芯片采用I2S接口與MCU進(jìn)行連接完成音頻解碼以及驅(qū)動(dòng)40mW耳機(jī)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(hào)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(cè)模塊構(gòu)成了信號(hào)采集模塊，其中，溫濕度傳感器在本系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的檢測(cè)，用于衡量天氣情況以便對(duì)洗衣情況的掌握。考慮到精度、可靠性以及性價(jià)比，最終選擇DHT11用于環(huán)境溫濕度的檢測(cè)。

DHT11輸出的信號(hào)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(duì)于本系統(tǒng)的研究要求DHT11傳感器能夠滿足樣機(jī)。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(shè)計(jì)

智能終端主控采用MDK5.2 平臺(tái)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(shí)時(shí)性，總是執(zhí)行最重要的就緒任務(wù)。軟件系統(tǒng)中采用多個(gè)功能界面相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，這樣便于使用者進(jìn)行設(shè)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(jìn)入啟動(dòng)歡迎界面，其部分初始化啟動(dòng)代碼如下：

在本終端系統(tǒng)內(nèi)部開辟了多個(gè)主要的任務(wù)，開始任務(wù)在創(chuàng)建其他任務(wù)后就自動(dòng)刪除自身任務(wù)的執(zhí)行，監(jiān)測(cè)任務(wù)是用于不斷監(jiān)測(cè)執(zhí)行要求不高但是需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的任務(wù)，從主任務(wù)進(jìn)入系統(tǒng)的其他各個(gè)功能模塊。系統(tǒng)程序入口及其開始任務(wù)代碼如下：

為了提高GSM的實(shí)時(shí)性，將來電及短信監(jiān)測(cè)放在監(jiān)測(cè)任務(wù)中。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

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

2 智能終端系統(tǒng)洗衣機(jī)操控程序設(shè)計(jì)

洗衣機(jī)主控板采用mbed網(wǎng)頁(yè)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行洗衣機(jī)主控板的需求配置，通過洗衣機(jī)主控板的串口資源連接WiFi模塊，并進(jìn)入進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先建立洗衣機(jī)操控界面，然后進(jìn)入洗衣機(jī)操控任務(wù)。通過不斷檢測(cè)觸摸屏鍵值得到響應(yīng)洗衣機(jī)指令的下達(dá)，終端向洗衣機(jī)下達(dá)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(lán)牙無線發(fā)送給洗衣機(jī)設(shè)備端實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣機(jī)的近距離控制。同時(shí)，通過不斷檢測(cè)串口2，得到設(shè)備通過藍(lán)牙傳回的數(shù)據(jù)從而可以分析判斷出洗衣機(jī)的工作狀況。洗衣機(jī)操控任務(wù)程序設(shè)計(jì)如下：

演示視頻地址：

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

精心制作的PPT：詳見附件