基于STM32的窄帶物聯(lián)網(wǎng)烤箱設(shè)計

朱少華 梁鑒如

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);烤箱;STM32;遠程管理

隨著科技水平的不斷提高，智能化的遠程設(shè)備需求越來越高，物聯(lián)網(wǎng)作為當下重要的科學(xué)技術(shù)，正在進入我們的生活，智能化的烘烤設(shè)備也不例外。

傳統(tǒng)的烤箱通常采用機械式的控溫方式，需要烘烤人員依據(jù)多年的烘烤經(jīng)驗來設(shè)置相應(yīng)的烘烤時間和溫度，同時需要烘烤人員人工監(jiān)控烤箱，導(dǎo)致商家的運營成本較高。近幾年才出現(xiàn)的低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）和NB-IoT技術(shù)能夠提供百倍于4G的連接規(guī)模、長達10年的設(shè)備壽命，逐漸成為我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主流。因此設(shè)計一種采用NB-IoT技術(shù)、以STM32為控制器的智能烤箱，實現(xiàn)對烤箱烘烤運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控，并且可以在Web界面上遠程下載相應(yīng)的烘烤菜單，使烤箱管理更加便捷，大大減少了商家的運營成本。

1系統(tǒng)總體框架設(shè)計

智能烤箱遠程管理系統(tǒng)總體框架如圖1所示，由四層結(jié)構(gòu)組成。第一層為數(shù)據(jù)采集層，STM32控制器通過溫度傳感器將采集到的烤箱溫度儲存在控制器中，并在烤箱操作面板上進行顯示。STM32控制器將每次通過面板設(shè)置的烘烤面包的個數(shù)及烤箱運行狀態(tài)和各種警報數(shù)據(jù)儲存起來，并利用NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動NBIoT基站;第二層為通信層，烤箱烘烤數(shù)據(jù)通過NB

IoT模塊上傳到Web服務(wù)器端;第三層為應(yīng)用服務(wù)層，負責(zé)匯聚烤箱各種運行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器上;第四層是用戶層，管理人員可以通過操作界面下發(fā)烤箱的烘烤菜單，觀察每臺烤箱的運行狀況，對故障烤箱進行定位。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1烤箱控制硬件電路設(shè)計

烤箱控制硬件系統(tǒng)如圖2所示，由MCU、電源模塊、NB-IoT通信模塊、顯示模塊、電源模塊、輸出控制模塊、溫度檢測模塊組成。圖2中MCU選用STM32F103VCT6為控制器，該型號為32位Cortex_M3，具有100引腳，F(xiàn)LASH容量為256KB，封裝為LQFP，工作溫度為-40-105℃，可以滿足在保溫層與烤箱機殼之間正常工作。

2.1.1烤箱溫度檢測電路設(shè)計

烤箱工作溫度為0-300℃，選用PTlOO鉑熱電阻，它的測量范圍為-200℃～+850℃，阻值會隨著溫度的變化而改變。在100℃時PTlOO的阻值約為138.5，隨著溫度上升它的阻值是成勻速增長的。

溫度檢測模塊如圖3所示。TL431的作用是提供一個非常準確穩(wěn)定的電壓4. 096 V，R52、R53、R54和PTlOO組成橋式電路，LM358對橋式電路轉(zhuǎn)化的電壓進行放大，方便MCU采樣。

當烤箱內(nèi)溫度改變時，PTlOO的電阻改變。通過電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)化為電壓變化，再通過運放電路將電壓信號放大，MCU痛過A/D轉(zhuǎn)換采集電壓信號，經(jīng)過運算得到烤箱內(nèi)部的溫度。MCU通過串口UART向NB-IoT通信模塊與Web服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。電源模塊采用AC/DC開關(guān)電源將220V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流，再轉(zhuǎn)換成5V、3.8 V、3.3 V電壓，分別給運放、NBIoT通信模塊、MCU供電。

2.1.2加熱控制電路設(shè)計

烤箱的加熱管的工作電壓為220V交流電，內(nèi)阻為18。由于傳統(tǒng)的電磁繼電器高頻率工作時噪聲大，而且電壓切換時接觸點會產(chǎn)生電火花，因此采用無觸點開關(guān)的器件——固態(tài)繼電器來控制加熱管電壓的通斷，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的。如圖4所示，為加熱控制電路圖。由于繼電器的線圈工作電壓為24V，單片機不能直接控制，因此使用兩級控制。由單片機控制三極管，再由三極管控制MOS管來控制繼電器的線圈通電。

單片機控制電路與繼電器控制電路分離設(shè)計。將單片機控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)集成在顯示屏背后。該區(qū)域工作溫度低，烤箱工作時不會對單片機系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)造成影響。繼電器控制系統(tǒng)以及溫度采集電路離加熱管較近。利用烤箱內(nèi)的石英棉隔溫，保證其正常工作。

2.2NB-IoT模塊電路設(shè)計

通信電路選用NB71模組，根據(jù)芯片手冊推薦3.8V為最佳工作電壓，由電源模塊產(chǎn)生3.8V供電。本模塊將烤箱的運行狀況的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器通過NB71模組將烘烤菜單下發(fā)至烤箱。NB-IoT無線通信模塊設(shè)計電路如圖5、圖6所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1控制器軟件設(shè)計

如圖7所示為烤箱上電初始化，包括I/O初始化、計時器初始化、LCD與觸摸屏初始化、NB-IoT初始化以及ADC采樣初始化。本系統(tǒng)使用了3個定時器分別用于PWM信號的產(chǎn)生、溫度電壓的掃描和輸入捕獲，對烤箱的加熱管進行實時控制，然后烤箱的溫度檢測經(jīng)過反饋調(diào)節(jié)來提高加熱管控制的精度。

如圖8所示是系統(tǒng)內(nèi)部自檢流程圖。系統(tǒng)初始化的計時器用以觸發(fā)定時中斷。系統(tǒng)每5S檢測一次系統(tǒng)性能。檢測NB-IoT信號是否能夠順利收發(fā)，SD卡是否插好、溫度傳感器是否存在脫落情況以及烤箱內(nèi)部溫度是否超過合理范圍，推算出繼電器的健康情況。

根據(jù)烤箱實際的加熱過程，設(shè)計分段式加熱的控制算法。在實際的面包烤制的過程中，烤箱需要空載加熱至預(yù)熱的目標溫度再放人待烤面團。此后的溫度控制更加精細，根據(jù)不同的面包，控制其溫度達到加熱的目標溫度。根據(jù)面包烤制過程的這一特性，將加熱管工作分為全速加熱預(yù)熱工作模式以及由PID精確控制烘烤加熱模式兩種。其控制流程圖如圖9所示。

當控制參數(shù)或菜單需要整體更新時，上位機向各個烤箱的NB-IoT通信模塊發(fā)送指令以及更改內(nèi)容，這使得智能烤箱便于統(tǒng)一地管理。其控制流程圖如圖10所示。

串口接收中斷服務(wù)程序負責(zé)的是按協(xié)議接收服務(wù)器通過NB-IoT模塊的烤箱烘焙方案進行解析，在烤箱界面進行顯示。

3.2服務(wù)器平臺設(shè)計

軟件設(shè)計為服務(wù)器端軟件設(shè)計，負責(zé)建立通訊及數(shù)據(jù)交互。將服務(wù)器搭建好后，程序會創(chuàng)建一個Worker啟動4個進程來對外提供服務(wù)，負責(zé)監(jiān)聽固定端口。當端口收到消息后，程序?qū)⑾⒎指顬榭鞠涮?、操作符、狀態(tài)三部分，根據(jù)消息種類進行存儲、更新等相關(guān)操作。處理完成后，對將要返回的消息進行處理，加入幀頭幀尾，最后通過send命令返回數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖11所示。

在通訊部分，使用Apache搭建Web服務(wù)器，用PHP語言創(chuàng)建Worker建立TCP通訊。系統(tǒng)通訊方式有定時通訊和上電通訊兩種方式，定時通訊使用152操作符，上電通訊使用151操作符。在數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)分為圖片數(shù)據(jù)和普通字符串數(shù)據(jù)，發(fā)送方式有所不同，字符串加入幀頭幀尾完成預(yù)處理后可直接發(fā)送給烤箱，圖片格式要轉(zhuǎn)化為二進制字符串分段發(fā)送。管理員可在網(wǎng)頁設(shè)置烤箱和烘焙方案，若有烤箱信息變更，可在烤箱上電時對烤箱信息進行傳輸、變更。

3.3數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

控制器與服務(wù)器之間利用NB-IoT模塊作為無線通信，利用私有的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

本系統(tǒng)制定了烤箱控制器與服務(wù)器之間的TCP通信協(xié)議，與服務(wù)器通訊時需要先與服務(wù)器建立連接，再進行數(shù)據(jù)傳輸?？鞠渑c服務(wù)器之間的通信協(xié)議具體內(nèi)容如表1所示。數(shù)據(jù)發(fā)送的格式采用內(nèi)容為“start”的幀頭，和內(nèi)容為“end”的幀尾，通信的目的地址為Ox00，端口號為目的地址的端口號，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括烤箱號、操作符、狀態(tài)、圖片等信息。

4人機交互界面設(shè)計

將觸摸屏技術(shù)應(yīng)用在本次的設(shè)計當中，通過多級式菜單設(shè)定烤箱烘烤菜單，設(shè)計了人機交互界面，如圖12所示，直觀地顯示了主控系統(tǒng)中采樣到的溫度數(shù)據(jù)，增進了人機交互的靈活性，具有一定的推廣價值。

5測試結(jié)果分析

在完成烤箱與服務(wù)器的對接后，對其接收返回的數(shù)據(jù)進行了測試。經(jīng)過測試，服務(wù)器程序可以準確獲取烤箱發(fā)送的各條信息并正確操作。

使用15號烤箱多次發(fā)送操作符及狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收測試結(jié)果如圖13所示，數(shù)據(jù)庫信息如圖14所示。

通過測試，此系統(tǒng)實現(xiàn)了服務(wù)器對烤箱運行數(shù)據(jù)的接收、處理及返回，定時對烤箱發(fā)送信息，同時返回數(shù)據(jù)的傳輸不會遺漏，符合系統(tǒng)需求。

在完成烤箱整體設(shè)計及制作后，進行了實物測試。首先測試了智能烤箱的功能。之后對其加熱性能進行了進一步的測試。測試現(xiàn)場如圖15所示。

圖16傳統(tǒng)機械式烤箱加熱溫度變化數(shù)據(jù)，圖17利用改進的分段PID控制算法控制的烤箱加熱溫度變化數(shù)據(jù)。對比測試傳統(tǒng)的旋鈕式溫控系統(tǒng)的加熱時間以及智能烤箱分段控制的加熱時間，測試結(jié)果顯示，智能烤箱的溫度響應(yīng)更加迅速，溫度控制性能更加優(yōu)越。

6結(jié)論

針對傳統(tǒng)烤箱，基于NB-IoT技術(shù)并以STM32為控制器的智能烤箱遠程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過Web客戶端對烤箱的遠程管理，可為大規(guī)模的烤箱遠程管理系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。