基于物联网的智能冰箱控制系统设计

引言

目前国内市场上的大部分冰箱还都是手动控制，没有实 现远程控制。现在基于物联网可以把物体与互联网连接起来 进行通信，以实现对物体的智能化远程控制和管理，因此, 物联网已成为新一代信息技术的重要组成部分。本设计方案 结合了物联网和智能冰箱的相关技术，将传感器、控制器等 设备通过无线网络连接，可用电脑或手机通过网络对智能冰 箱进行远程控制并将信息实时发送给用户，使用方便，可实现 智能冰箱的物联网控制。

1系统控制原理

控制系统主要由SM89516A单片机、WSUM102A无线通 信模块、开关电源模块、128X64 LCD显示模块、温度采集电路、 按键扫描电路、复位电路、声音报警电路、负载控制电路等构成, 系统有2种网络连接方式。

第一种是通过Wi-Fi或借助AP热点建立无线物联网, 再将电子设备接入互联网，实现互联网远程控制。图1所示 是通过Wi-Fi或借助AP建立无线物联网来实现冰箱温度联网 控制的系统结构图。

第二种是使用WSUM102A建立Ad Hoc本地网络，而 不需要外部路由和AP辅助，可在小范围内代替数据线缆建立 M2M数据通信网络。图2所示是使用WSUM102A建立本地 Ad Hoes局域网的方法图。

图2 Ad Hoe局域网

2系统硬件设计

2.1 SM89516A单片机及外围接口电路

SM89516A是8052系列的衍生产品，片内有64 KB的 FLASH，1 KB的RAM，拥有3个定时计数器、1个看门狗、 4路8通道双向I/O 口和代码保护功能，且P1.3~P1.7引脚可 作为内嵌的5通道SPWM发生器，可作为风机或者蜂鸣器控 制使用，时钟频率最高支持40 MHz。工作电压：3~3.6 V (L Version)或4.5~5.5 V (C Version)，全双工串口通道，嵌套中 断有两个中断优先级，省电模式有空闲模式和掉电模式。本 设计方案选用了 SM89516A作为主控芯片实现了智能冰箱控 制系统，和无线模块间使用UART串口通信，并将数据传送 到LCD上显示操作结果。配套有按键扫描、复位、温度检测 和负载控制等电路。单片机接口电路如图3所示。

2.2无线通信模块WSUM102A

WSUM102A模块是一款WiFi转串口和SPI接口的通信模块，可以方便地在电子设备之间建立高速稳定和安全的无线通信,并借助AP接入互联网。WSUM102A集成有TCP/IP协议栈，可以实现SOCKET网络通信，支持13个通信频道，并支持Wi-Fi 标准 IEEE802.11 b+g ；其无线通信速率超过 5 Mb/s ；支持WEP 64/128、WPA/WPA2 安全认证和多种加密模式，可以连接到 AP 或者 Wi-Fi 路由器，模块之间可以建立 Ad-Hoc 网络 ；可提供高速 UART 和 SPI 接口，UART 速度达 4.5 Mb/s，SPI 接口时钟频率可达18 MHz，接口引脚可承受 5 V 电压 ；集成的 TCP/IP 协议栈可同时建立 4 条 TCP 或 UDP 连接，掉电可自动恢复，并具有智能防掉线和自动断线重连等功能。

设计中可用程序采用中断扫描方式接收模块消息，一旦消息到达就调用串口接收程序来接收和处理命令。UART 接口波特率可调，其他参数固定为 8 位数据位、1 位停止位、无奇偶校验，模块不使用传统的 RTC/CTS 硬件流控制，而是使用BUSY 和 PAUSE 两根信号线提供以数据包为单位的流量控制。模块提供的最大波特率为 4.5 Mb/s，在此波特率下有效数据发送速率约为 2 Mb/s，接收速率约为 3 Mb/s，模块接口电路如图 4 所示。

2.3开关电源模块

根据系统设计需要给Wi-Fi模块、单片机电路、LCD模组、温度传感器负载控制电路等供电，需要设计5W以上功率的电源电路，本文选用了开关电源方案，功耗小、效率高。

开关电源芯片选用OB2354，DIP8封装支持10W额定功率输出，为PWM控制功率开关芯片系列。OB2354集成了多项保护功能，过压保护（OVP），过流保护（OCP），可外部调节的MOSFET驱动能力，满足对功率输出，EMI及效率/温升的不同要求，内置4ms软启动功能，空载功耗较低，可以实现简单灵活的系统设计。光耦可控硅选用PC817A，具有很强的抗干扰能力，实现输入和输出隔离，系统输出12V和5V两路直流电压。电源系统可分为主电路部分、控制和反馈部分。主电路包括：电感滤波、整流、RC滤波、变压、滤波输出；控制和反馈部分由OB2354，PC817，IC104芯片和相应外围元件组成，模块电路如图5所示。

2.4LCD显示模块和驱动

本设计选用了128×64点阵的LCD显示模块作为冰箱系统显示屏，此模块采用的COG工艺（ChipOnGlass），芯片直接邦定在玻璃上，这种安装方式可以大大减小模块的体积。选用的芯片是S1D15605最大支持132×65点阵，设置为1/64duty，1/9bias，IC内部有DCDC升压电路，只需VDD5V供电和接口电路即可，通信使用SPI串口或者8位并口和SM89516A连接，模块是FPC连接方式方便易插接，IC有内部温度补偿功能可以在不同温度环境下实现良好的显示效果接口电路如图6所示。

2.5 温度检测和模拟负载控制

温度检测通过数字温度传感器 DS18B20 和 MCU 连接，该方法连接时仅需要一条口线，使用单总线协议即可实现 MCU与 DS18B20 的双向通信。该电路的电压范围为：3.0~5.5 V，检测温度范围为 -55~+125 ℃，在 -10~+85 ℃时精度为 ±0.5 ℃，可编程的分辨率为 9~12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和 0.062 5 ℃，可实现高精度测温，如图 7 所示。

冰箱负载控制电路主要由压机、电磁阀、化霜加热丝、照明灯等控制电路组成，强电负载都采用继电器或者光耦可控硅控制方式，隔离抗干扰。以压机继电器控制电路为例，如图 8 所示。

3 系统软件设计

软件系统可以 选用多种 开发 工具如 Keil、MedWin、ULINK2 等，可快速实现系统软件的编译和仿真。当系统开机并初始化完毕后，程序会对当前的系统状态进行分析，若为正常状态，则运行相应的子程序段。主程序主要完成系统初始化、系统状态检测、信号接收、温度检测、显示和负载控制等工作。

图 9 所示为其主程序流程图。

当系统检测各单元电路模块和连接无异常时冰箱进入联网工作状态，在这种工作状态下，可以通过联网的电脑或手机和冰箱进行无线通信调节冰箱的温度。单片机对无线模块信息的获取通过UART串口完成，单片机会进入串行口中断服务 程序读取无线模块接收的信息，并不断检测当前温度值，将 当前温度值与设定的温度值相比较，若高于设定温度则使压 缩机和电磁阀工作制冷；直到检测到的温度等于设定温度则 使压机和电磁阀停止工作。

图10所示为串口中断服务子程序流程图。

图10串口中断服务子程序流程图

最后冰箱将温度调整的结果显示到显示器上面并将数据 传送给用户，把当前的温度值和设定温度进行校对确认，最 终实现物联网冰箱温度的准确控制。

4结语

设计系统选用了低成本、最简易的控制操作部件，实现 了智能冰箱的物联网控制。具有较强的智能性，可用电脑、手 机等接入物联网根据用户需求控制冰箱开关和温度调节，并采 用开关电源节能、省电。此控制系统亦可应用于其他电器的物 联网控制，实现多种电器互联。智能化家电是未来家电发展的 主流，特别是物联网的应用将会更加普遍。

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