基于MSP430F149與GTM900C實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)電飯鍋遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)越受人們青睞，智能、環(huán)保、節(jié)能型高端電飯鍋將會(huì)成為未來(lái)備受矚目的商品，特別是可遠(yuǎn)程控制的全自動(dòng)智能電飯鍋將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的方向。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)智能家居的技術(shù)研究較多，多數(shù)是用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本高。而對(duì)電飯鍋的全自動(dòng)化技術(shù)研究則少之有少，沒(méi)有引起人們的重視。本文改造了傳統(tǒng)的電飯鍋，設(shè)計(jì)了可全自動(dòng)化控制的電飯鍋，并采用GPRS模塊，普通手機(jī)等簡(jiǎn)單、廉價(jià)的設(shè)備開(kāi)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(shí)、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(jì)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)思想，有利于系統(tǒng)的組裝和調(diào)試，縮短開(kāi)發(fā)周期。

由于電飯鍋信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，時(shí)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(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制短信到GSM 模塊中，單片機(jī)通過(guò)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(dòng)作，完成對(duì)電飯鍋的控制并以短消息的形式將命令執(zhí)行情況通過(guò)GSM模塊反饋到用戶的手機(jī)上。

2 系統(tǒng)的各硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由全自動(dòng)電飯鍋和智能控制電路系統(tǒng)組成。全自動(dòng)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(cè)和控制模塊四個(gè)主要部分組成。

2.1 全自動(dòng)電飯鍋的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電飯鍋無(wú)論是保溫自動(dòng)式、定時(shí)保溫式、還是新型的微電腦控制式，在實(shí)時(shí)方面已得到長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍然存在明顯的缺陷與不足，如定時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(dòng)化和遠(yuǎn)程智能控制是未來(lái)電飯鍋技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，要實(shí)現(xiàn)電飯鍋全自動(dòng)控制，全自動(dòng)電飯鍋是前提，本文結(jié)合全自動(dòng)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)思想，在傳統(tǒng)電飯鍋的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加適當(dāng)?shù)臋C(jī)械裝置，設(shè)計(jì)出來(lái)的全自動(dòng)電飯鍋如圖2所示。

設(shè)計(jì)包括儲(chǔ)米、取米、淘米、放米以及加水裝置。頂端漏斗為儲(chǔ)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(chǔ)米漏斗底端的電磁鐵實(shí)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(jì)，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(kāi)關(guān)限位，實(shí)現(xiàn)電飯鍋鍋蓋的開(kāi)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(dòng)作有儲(chǔ)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(guò)I/O輸出高低電平控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 智能控制電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

GTM900C 在上電啟動(dòng)，登陸GPRS 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送數(shù)據(jù)等過(guò)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(shí)芯片不工作，降低功耗。

2.2.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)MCU選用美國(guó)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(shí)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(jì)

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(wú)需電平轉(zhuǎn)換就能進(jìn)行硬件對(duì)接。GSM模塊和單片機(jī)的連接較簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(dòng)作，完成對(duì)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(guò)程。

2.4 狀態(tài)檢測(cè)與控制模塊設(shè)計(jì)

本模塊主要包括狀態(tài)檢測(cè)電路和智能控制電路，狀態(tài)檢測(cè)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(kāi)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(guò)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(guò)單片機(jī)的I/O口輸出高低電平控制繼電器來(lái)實(shí)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(dòng)電路是為了提高單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力。

煮飯控制主要是實(shí)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(shí)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(shí)間后，繼電器斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)電飯鍋煮飯方式選擇的全自動(dòng)按鍵功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)是單片機(jī)的程序，其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括以下幾方面：

（1）對(duì)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(duì)它的初始化操作必須十分仔細(xì)[6].單片機(jī)通過(guò)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(yùn)行商分配的動(dòng)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(cè)提示；

（4）AT +CREG測(cè)試聯(lián)網(wǎng)情況等。除此之外程序還包括CPU的初始化、來(lái)短信檢測(cè)、外部電源掉電檢測(cè)等，軟件系統(tǒng)在初始化CPU時(shí)加入了看門狗程序[7],能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)自動(dòng)復(fù)位。圖6是主程序的流程圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試

全自動(dòng)電飯鍋遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)無(wú)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(guò)4次測(cè)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(duì)米量和水量的計(jì)量是根據(jù)所選擇的煮飯方式并通過(guò)單片機(jī)對(duì)電磁鐵和電磁閥定時(shí)控制實(shí)現(xiàn)的，測(cè)試過(guò)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(shí)，水量為540 mL,依此類推，米量和水量各測(cè)試3次，測(cè)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(cè)試值比較接近，說(shuō)明利用定時(shí)控制進(jìn)行計(jì)量基本準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)電飯鍋遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)均能按要求完成所有動(dòng)作，而且米量、水量的計(jì)量也是較為準(zhǔn)確的，說(shuō)明該系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信良好，電飯鍋工作穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)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(jì)量采用單片機(jī)定時(shí)控制替代了復(fù)雜的流量控制裝置，使得操作更簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也使得系統(tǒng)成本更低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的一種應(yīng)用于家庭，使用普通手機(jī)對(duì)電飯鍋進(jìn)行遠(yuǎn)程全自動(dòng)智能控制的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)地以短信的形式收到電飯鍋對(duì)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(kāi)發(fā)”項(xiàng)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(shí)現(xiàn)家居的智能化，應(yīng)用非常廣泛。