基于ARM的智能廚房控制系統(tǒng)

郭燦彬

（廣州數(shù)控信息科技有限公司，廣東廣州 510530）

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，在未來(lái)的廚房中，人們可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把廚房中一切電器與外面的世界相連，主人可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作下達(dá)指令，控制廚房電器的運(yùn)行。隨著人們對(duì)居住環(huán)境及居住品質(zhì)要求的提高，廚房在人們心目中的位置已經(jīng)越來(lái)越重。伴隨著高科技不斷進(jìn)入家庭，廚房也開(kāi)始進(jìn)入智能化的過(guò)程。未來(lái)智能化廚房所涉及的一些技術(shù)如光電技術(shù)、遙測(cè)感應(yīng)技術(shù)、遙控技術(shù)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)、紅外等已經(jīng)成熟，只是尚未全面普及或者整合到日常的廚房產(chǎn)品制造之中。如果這些技術(shù)能在廚房設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到整合應(yīng)用，將給廚衛(wèi)行業(yè)和人們的生活方式帶來(lái)一場(chǎng)深刻的革命。隨著社會(huì)的進(jìn)步和各種高科技技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“智能廚房”這一名詞已不再新鮮，正在被人們逐漸地接受。廚房的智能化是時(shí)代發(fā)展的需要，智能化只是為了使用更加方便簡(jiǎn)易，功能更加完善，因而它最終能迎合人們的消費(fèi)需求。與傳統(tǒng)的生活方式相比較，廚房的智能化可以為人們帶來(lái)更為快樂(lè)、輕松的生活方式。目前，智能化的廚房存在以下特點(diǎn)：

（1）各類廚房電器控制趨向集成化；

（2）使用環(huán)境安全性要求提高；

（3）提供更多的信息化、娛樂(lè)化元素；

（4）更加注重節(jié)能、環(huán)保的概念；

（5）廚房家電控制更加智能化。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著各種智能技術(shù)的發(fā)展，廚用電器會(huì)越來(lái)越趨向于信息化、集成化。廚用電器廠商通過(guò)將功能更加強(qiáng)大的各式各樣的嵌入式芯片植入產(chǎn)品來(lái)提高家用電器的自動(dòng)化水平。而且隨著嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化，信息家電的產(chǎn)品種類會(huì)越來(lái)越多，功能會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大，集成度會(huì)越來(lái)越高。所以，綜合考慮用戶個(gè)性化需求和未來(lái)智能家居建設(shè)的需要，建立的集成控制系統(tǒng)在集成化、安全性、娛樂(lè)化、兼容性方面要做好規(guī)劃，需求分析盡量考慮全面?；谏鲜鲂枨?，智能廚房控制系統(tǒng)項(xiàng)目可細(xì)分為以下幾項(xiàng)組成部分：各種智能化電器、集成控制平臺(tái)、安全監(jiān)控模塊、信息服務(wù)模塊，如圖1所示。

圖1 智能廚房控制系統(tǒng)的組成

各組成部分不能被單獨(dú)分割開(kāi)來(lái)，因?yàn)閱为?dú)工作的電器個(gè)體，只能實(shí)現(xiàn)電器本身的控制功能或者單獨(dú)電器的智能控制功能，卻不能和其他模塊協(xié)調(diào)工作。因此，需要構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)，把所有電器節(jié)點(diǎn)連接在一起，構(gòu)成一個(gè)整體的控制網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)，連接互聯(lián)網(wǎng)，可以接收遠(yuǎn)程終端發(fā)出的控制指令。智能廚房控制系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能廚房的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）基于ARM的嵌入式控制平臺(tái)

智能廚房控制系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)的控制管理軟件就是基于這個(gè)平臺(tái)工作的，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)也是建立在該平臺(tái)上。ARM嵌入式平臺(tái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊協(xié)調(diào)工作，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控各類電器的工作狀態(tài)及廚房環(huán)境狀態(tài)。

（2）廚房無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

廚房電器設(shè)備之間連接采用射頻無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，避免了繁瑣和影響美觀的有線連接，該網(wǎng)絡(luò)具備專有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，只要兼容協(xié)議的廚房電器都可以接入。

（3）廚房電器系統(tǒng)

電器系統(tǒng)是廚房無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，主要包括廚房里的常用電器，如：智能灶具、煙機(jī)、電飯煲、冰箱、熱水器、消毒柜等等。

（4）廚房環(huán)境系統(tǒng)

主要包括響應(yīng)安全報(bào)警的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或部件，如空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、燃?xì)庵鏖y、水閥等，這些部件和安全監(jiān)控部件構(gòu)成了整個(gè)廚房的安防系統(tǒng)。

（5）廚房照明系統(tǒng)

廚房照明系統(tǒng)采用節(jié)能環(huán)保的LED燈，采用紅外監(jiān)控，只要檢測(cè)到人離開(kāi)一段時(shí)間，照明系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換到節(jié)能模式。另外，為了滿足人們對(duì)廚房氛圍的不同要求，廚房的照明系統(tǒng)通過(guò)選擇不同的模式營(yíng)造不一樣的廚房氛圍。

（6）廚房安全監(jiān)控系統(tǒng)

廚房安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由燃?xì)鈧鞲衅?、溫度傳感器和煙霧(氣)傳感器等組成，負(fù)責(zé)廚房環(huán)境狀況的監(jiān)控，并實(shí)時(shí)向ARM嵌入式平臺(tái)傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

（7）遠(yuǎn)程控制

通過(guò)安裝專用的應(yīng)用軟件，控制系統(tǒng)可以接收遠(yuǎn)程控制終端（手機(jī)終端、平板電腦）的控制指令，控制終端也可以接收廚房電器、環(huán)境狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能廚房控制系統(tǒng)采用ARM+Win CE的設(shè)計(jì)方案，支持全觸摸屏操作，控制系統(tǒng)和底層的電器、智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)2.4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信[1]，節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)之間采用統(tǒng)一的無(wú)線通信協(xié)議，如圖3所示，虛線框內(nèi)的各個(gè)子模塊、廚房電器和集成控制中心之間都是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連，減少繁瑣的廚房?jī)?nèi)部布線，系統(tǒng)支持以太網(wǎng)連接，集成GPRS通訊模塊，可以接收電腦終端或者手持終端的遠(yuǎn)程控制指令。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，中心位置是智能廚房的控制中心(即圖中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器+控制中心)，負(fù)責(zé)處理遠(yuǎn)程控制指令并反饋廚房電器系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)環(huán)境指標(biāo)狀態(tài)。因此，控制中心是整套廚房智能控制系統(tǒng)的心臟。

圖3 智能廚房的底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

此外，控制系統(tǒng)提供了完整的安全監(jiān)控方案，保證廚房環(huán)境的高度安全性。下面提供了燃?xì)獗O(jiān)控的詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明及流程圖，如圖4所示。廚房環(huán)境的燃?xì)庵党^(guò)安全設(shè)定值，控制軟件界面彈出報(bào)警信息，并且在軟件界面的報(bào)警信息欄顯示報(bào)警信息的內(nèi)容，如果選擇了遠(yuǎn)程報(bào)警復(fù)選框，系統(tǒng)將向用戶的手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警信息。

燃?xì)獗O(jiān)控可實(shí)時(shí)監(jiān)控廚房里燃?xì)鉂舛?。?dāng)可燃?xì)怏w泄漏濃度達(dá)到設(shè)定濃度值時(shí)，主機(jī)發(fā)出響亮的連續(xù)性的聲音報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉切斷氣閥，控制系統(tǒng)的液晶屏顯示“燃?xì)庑孤钡葓?bào)警信息并且伴隨LED燈閃爍。當(dāng)燃?xì)鉂舛瘸掷m(xù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制模塊發(fā)送信息到用戶手持終端設(shè)備。為了增強(qiáng)安全性，控制系統(tǒng)要求具備定時(shí)關(guān)閉燃?xì)忾y功能：用戶在使用時(shí)可自行設(shè)定每次烹飪活動(dòng)時(shí)間（系統(tǒng)將默認(rèn)使用最近一次開(kāi)閥前設(shè)置過(guò)的定時(shí)值），當(dāng)您使用燃?xì)獬^(guò)該時(shí)間時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷燃?xì)饪傞y，有效預(yù)防部分用戶使用燃?xì)鈺r(shí)因忘記關(guān)火而存在的火災(zāi)事故隱患。

圖4 燃?xì)獗O(jiān)控流程圖

控制系統(tǒng)提供完整的信息服務(wù)模塊，統(tǒng)一管理各種烹調(diào)信息、菜譜信息、系統(tǒng)報(bào)警信息等，允許烹飪愛(ài)好者可以自由定制、添加菜譜信息。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

圖5為智能廚房控制系統(tǒng)的主界面[2]，左邊顯示了系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備及其目前的運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警設(shè)備的名稱及報(bào)警原因，右邊是控制的廚房電器。最下方顯示的是廚房安全狀態(tài)監(jiān)控信息，包括煙感信息、氣感信息及環(huán)境溫度信息，更加詳細(xì)的應(yīng)用信息就需要點(diǎn)擊菜單欄選擇。用戶可以通過(guò)該操作界面進(jìn)行電器的操作、控制模式的設(shè)置等。

圖5 智能廚房集成控制系統(tǒng)

目前，系統(tǒng)可納入集成控制的廚房電器有：冰箱、智能灶具、煙機(jī)、電飯煲、消毒柜、洗碗機(jī)、熱水器、廚房空調(diào)系統(tǒng)等。為了使控制系統(tǒng)有更好的兼容性，首先要求各單獨(dú)電器的軟件控制系統(tǒng)的兼容性好，也就是各類電器應(yīng)具有一個(gè)通用的軟件平臺(tái)（支持相同的通訊協(xié)議），各類電器、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)只要上電后，就能夠自動(dòng)連接到控制系統(tǒng)。

圖6是智能廚房控制系統(tǒng)的安全監(jiān)控界面的一個(gè)例子[3]，界面的底部是對(duì)廚房煙感、氣感、和溫度參數(shù)的監(jiān)控，包括數(shù)值和環(huán)境狀況的顏色示意圖，當(dāng)檢測(cè)值超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)顯示黃色圖標(biāo)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，超出預(yù)警值后，報(bào)警欄報(bào)警，報(bào)警顏色由黃色變?yōu)榧t色。

圖6 系統(tǒng)安全監(jiān)控界面

圖7 是智能灶具與煙機(jī)聯(lián)動(dòng)工作的界面[4]，在系統(tǒng)設(shè)置好灶具與煙機(jī)聯(lián)動(dòng)選項(xiàng)后，只要智能灶具啟動(dòng)正常工作，煙機(jī)立刻響應(yīng)進(jìn)入工作狀態(tài)，并且可以根據(jù)煙感的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)煙機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)灶具關(guān)閉后，煙機(jī)自動(dòng)延時(shí)一定時(shí)間（時(shí)間可由用戶設(shè)定）后自動(dòng)關(guān)閉。

圖7 煙機(jī)灶具聯(lián)動(dòng)工作

4 小結(jié)

智能廚房應(yīng)該做到各廠家產(chǎn)品互相兼容，因此有必要建立一套通用的通訊協(xié)議，這樣不同廠家生產(chǎn)的廚房電器與控制系統(tǒng)都遵循相同的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。此外用戶可以根據(jù)自己的喜好選擇自己喜歡的產(chǎn)品，畢竟沒(méi)有一個(gè)廠家生產(chǎn)出來(lái)的廚房家電都能讓所有消費(fèi)者都滿意。綜上所述，雖然這套系統(tǒng)還有很多有待完善與解決的問(wèn)題，但系統(tǒng)已經(jīng)初步運(yùn)行起來(lái)，實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果表明：智能廚房控制系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)了廚房智能化與人性化的統(tǒng)一，基于多種安全監(jiān)控技術(shù)的使用實(shí)現(xiàn)了廚房高度的安全性與節(jié)能化，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)單方便，有較好的發(fā)展及推廣應(yīng)用前景。

［1］David FlowersYifeng Yang.MiWi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［Z］.Microchip Technology Inc，2007.

［2］何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］周立功.ARM&Windows CE實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］魏洪興，胡亮，曲學(xué)樓.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教材||［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.