自動(dòng)淘米煮飯機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于洋　葉子　郭聞麒　王春峰　李志鵬　侯琳

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)的高速發(fā)展，家電產(chǎn)品趨向智能化，煮飯方式也有革命性變化。為了提高上班族生活質(zhì)量，提出一種智能煮飯的解決方案，即通過(guò)手機(jī)APP，利用4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)式淘米煮飯的智能電飯煲的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電飯煲的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)交互，即利用手機(jī)端APP與用戶交互，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口的程序獲取到數(shù)據(jù)后傳送給WiFi模塊，再利用壓力傳感器、水位檢測(cè)傳感器和單片機(jī)，測(cè)定出淘米和煮飯所需的水量后，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵完成自動(dòng)淘米的功能。在電飯煲中，部分電路使用了橋式整流電路將交流變?yōu)橹绷麟娂叭蹼娍刂茝?qiáng)電的方法，使電路安全性更加優(yōu)良，成本低，操作簡(jiǎn)便，移植性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)淘米;遠(yuǎn)程控制;4G;低成本

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.065

1 選題背景

各種智能家電產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。目前國(guó)內(nèi)外的大部分電飯煲主打功能的側(cè)重點(diǎn)都在如何更精致煮飯，讓米飯煮得更香、更好吃，比如自動(dòng)控溫、高壓等。市場(chǎng)上現(xiàn)有電飯煲只有不同模式的煮飯方式和保溫時(shí)長(zhǎng)，但還不具備遠(yuǎn)程控制功能，所以還有諸多需要改進(jìn)的方面。大部分操作仍然需要人為操作，比如手動(dòng)淘米、測(cè)出適量煮飯水位等，然后由用戶再設(shè)置時(shí)間，按下按鈕?？墒怯脩舨荒芸绲赜颉⒖鐣r(shí)間地控制電飯煲，而且市面上智能化程度高的電飯煲價(jià)格昂貴，且內(nèi)部電路復(fù)雜，遭到損壞后，即使是送到專(zhuān)業(yè)維修點(diǎn)，維修起來(lái)比較困難。

本項(xiàng)目的研究意義在于，使物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)在家電領(lǐng)域取得實(shí)際性的突破，又通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)科技提升人們生活水平的理念。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 具體設(shè)計(jì)方案

該遠(yuǎn)程智能電飯煲的主要部件有單片機(jī)、繼電器、電飯煲、水泵、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（單片機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)接口過(guò)來(lái)的單片機(jī)指令調(diào)整輸出功率從而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)）、導(dǎo)水管、水位檢測(cè)模塊（又名“液位計(jì)”，可以通過(guò)水位的高低來(lái)改變阻值的大小，電阻值的大小再反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的目的）、電機(jī)、整流降壓模塊（降壓部分利用變壓器原理，整流部分利用二極管整流橋，兩部分結(jié)合把交流電整流為直流電），WiFi通信模塊。當(dāng)手機(jī)APP發(fā)出的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到WiFi通信模塊后，再由WiFi通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到主控板單片機(jī)，主控單片機(jī)通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間和水泵的抽水及吸水，以此實(shí)現(xiàn)淘米功能，與此同時(shí)，通過(guò)水位傳感器模塊來(lái)控制水位，最后通過(guò)主控板單片機(jī)打開(kāi)繼電器，電飯煲開(kāi)始煮飯。遠(yuǎn)程智能電飯煲系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，在原有的電飯煲電路基礎(chǔ)上做了電路及功能的改進(jìn)，將原來(lái)的半自動(dòng)改為現(xiàn)在的遠(yuǎn)程控制全自動(dòng)系統(tǒng)。步驟如下：①弱電控制強(qiáng)電，安全節(jié)能。②實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，方便實(shí)用。適用人群為上班族，農(nóng)民工，外出租房的學(xué)生黨，懶人黨等。

2.3 應(yīng)用場(chǎng)景

整流降壓部分.利用降壓蠻壓器將交流電壓南220 V隆至5-12V，再由橋式整流電路，將交流電整流轉(zhuǎn)化為直流電，由整流后的電壓為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊向主控單片機(jī)提供相應(yīng)的電壓和電流來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)的電機(jī)以及其他用電設(shè)備;在控制電飯煲電源通斷部分，單片機(jī)具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，綜合性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。所以主控制單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)司令部，由主控單片機(jī)下達(dá)相應(yīng)功能指令控制繼電器，通過(guò)對(duì)繼電器內(nèi)部的電磁線圈通斷電來(lái)控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，進(jìn)而控制電源的開(kāi)閉;自動(dòng)進(jìn)水部分，單片機(jī)控制水泵，再通過(guò)壓力傳感器及反饋條件求出水泵的預(yù)設(shè)淘米進(jìn)水量，待水量達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，主控單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)信號(hào)給水泵，此時(shí)水泵停止進(jìn)水。進(jìn)水部分設(shè)計(jì)有進(jìn)水次數(shù)，根據(jù)用戶可自定義進(jìn)水次數(shù)，用戶未設(shè)置次數(shù)時(shí)，也提供了默認(rèn)選項(xiàng)。

在防止米飯營(yíng)養(yǎng)價(jià)值流失的基礎(chǔ)上，還添加了進(jìn)水次數(shù)的限制的功能;淘米功能，是以豆?jié){機(jī)和洗衣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制為基本構(gòu)思，電飯鍋底部的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)則帶動(dòng)鍋內(nèi)的米和水一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使米和水的混合體在左右來(lái)回的轉(zhuǎn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)淘米功能，淘米操作完成后主控單片機(jī)發(fā)出指令啟動(dòng)鍋內(nèi)水泵（或者打開(kāi)出水閥）排出鍋內(nèi)淘米水，一次排水結(jié)束后，電飯鍋會(huì)再一次啟動(dòng)外部的水泵裝置進(jìn)水淘米。待淘米流程完全結(jié)束后，通過(guò)算法計(jì)算米與水的最佳配比，最后一次水泵壓水。隨后，反饋系統(tǒng)向主控單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，主控單片機(jī)又一次對(duì)繼電器發(fā)送信號(hào)以啟動(dòng)繼電器，開(kāi)始利用高壓進(jìn)行蒸煮米飯，提升米飯的口感。煮飯結(jié)束后，智能電飯煲會(huì)自動(dòng)切換到保溫模式。智能電飯鍋實(shí)物如圖2所示。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)則體現(xiàn)在Android部分。手機(jī)端APP部分：客戶端設(shè)置開(kāi)關(guān)按鈕向云服務(wù)器發(fā)送信號(hào)，并設(shè)置APP所綁定的電飯鍋標(biāo)識(shí)號(hào)?？蛻舳吮O(jiān)聽(tīng)云服務(wù)器端口，獲取云服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。在電飯鍋的控制上，還提供了可視化文本框界面“遠(yuǎn)程遙控電飯鍋”，以此來(lái)提示用戶是否需要選擇“遠(yuǎn)程控制電飯鍋”的服務(wù)。服務(wù)器程序部分：在端口處監(jiān)聽(tīng)獲取的數(shù)據(jù)，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)后做出相應(yīng)的應(yīng)答判斷，再將信號(hào)發(fā)給單片機(jī)中WiFi模塊，WiFi模塊將單片機(jī)串口轉(zhuǎn)化成無(wú)線WiFi信號(hào)，讓傳統(tǒng)串口設(shè)備可以連接到網(wǎng)絡(luò)。而每個(gè)WiFi模塊都綁定了后臺(tái)服務(wù)器，單片機(jī)利用WiFi模塊傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。每臺(tái)單片機(jī)具有唯一的ID號(hào)，如果想使用智能電飯煲的服務(wù)，客戶需先輸入單片機(jī)ID號(hào)，再向服務(wù)器中存儲(chǔ)的單片機(jī)ID號(hào)進(jìn)行確認(rèn)綁定，APP與ID號(hào)綁定后，APP與服務(wù)器之間就建立起基于TCP/IP協(xié)議的socket通信方式的網(wǎng)絡(luò)通訊。用戶端APP首先向服務(wù)器發(fā)送特定數(shù)值，服務(wù)器將接收到的數(shù)值轉(zhuǎn)化為特定信號(hào)后，再將信號(hào)傳回WiFi模塊，單片機(jī)接收信號(hào)后做出指令判斷，選擇是否啟用電飯鍋的工作模式。單片機(jī)開(kāi)發(fā)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)中導(dǎo)入WiFi模塊庫(kù)，開(kāi)發(fā)4G環(huán)境從而驅(qū)動(dòng)4G模塊，并時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器是否傳來(lái)數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)做出具體情況具體分析后，執(zhí)行功能所相應(yīng)的函數(shù)。與此同時(shí)，后臺(tái)服務(wù)器會(huì)記錄APP、單片機(jī)和其他相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)和信息參數(shù)。軟件APP的界面圖如圖3所示。

2.5 載荷組合

智能電飯煲的工作過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)WiFi模塊接收用戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成特定信號(hào)向主控單片機(jī)傳送，單片機(jī)獲得信號(hào)之后，電飯煲由休眠模式進(jìn)入工作模式。待工作完成之后，電飯煲又回歸休眠模式。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及實(shí)時(shí)交互。WiFi模塊與單片機(jī)通過(guò)串口相連，進(jìn)而控制電飯煲。用戶在手機(jī)APP上輸入指令后，就可對(duì)電飯煲遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。4G遠(yuǎn)程控制，智能便捷。電路簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)。還適用于其他各種遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制的情形，如遠(yuǎn)程澆花、遠(yuǎn)程養(yǎng)魚(yú)等系統(tǒng)。易推廣，受眾范圍廣。本設(shè)計(jì)貼近大眾的購(gòu)買(mǎi)力水平，且產(chǎn)品實(shí)用功能強(qiáng)大，滿足消費(fèi)者需求，易于推廣。

4 總結(jié)

本項(xiàng)目采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合通信模塊及4G遠(yuǎn)程控制的先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到了遠(yuǎn)程控制以及人機(jī)實(shí)時(shí)交互的效果。通過(guò)手機(jī)APP設(shè)定用戶要求，包括電飯煲啟動(dòng)時(shí)間、淘米量、煮飯方式等。網(wǎng)絡(luò)通訊隨即將收集的數(shù)據(jù)信息參數(shù)傳到后臺(tái)云服務(wù)器，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口的程序獲取到數(shù)據(jù)后再傳送給與單片機(jī)結(jié)合的WiFi模塊，通過(guò)WiFi模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給單片機(jī)和水位傳感器，單片機(jī)和水位檢測(cè)傳感器得到數(shù)據(jù)指令后，測(cè)出淘米和煮飯分別所需的水量后，再利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵完成白動(dòng)淘米，淘米結(jié)束后裝置進(jìn)入煮飯模式。在智能電飯煲電路設(shè)計(jì)中，部分電路采用了橋式整流電路的方法將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，避免了使用全波整流電路改造的復(fù)雜，又能達(dá)到全波整流的良好效果，再結(jié)合弱電控制強(qiáng)電的方式，使整個(gè)電路安全性更加優(yōu)良。在保證安全性高的前提下，裝置可操作性高、成本低、可移植性強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)的電飯鍋，可以增加定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，用戶向電飯煲加入米后，設(shè)定電飯鍋開(kāi)啟T作的時(shí)問(wèn)，使電飯煲自主啟動(dòng)。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制家電，使家電智能化，有效地減少了人力和時(shí)問(wèn)成本，實(shí)現(xiàn)了智能家居生活。

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