基于智能家居與openmv 的多功能辦公桌的研究

董佳興，武志濤*，單俊超，李科瑾，張麗雯，吳佳鴻

（遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114000）

引言

隨著“智能家居”逐漸走入人們的視野，然而目前市場(chǎng)上很難找到一款真正意義上的“智能家居”。與此同時(shí)，辦公室一族高強(qiáng)度的工作壓力讓這個(gè)群體積勞成疾，如何將智能家居引入辦公室，在緩解人們工作壓力的同時(shí)，讓人們更好養(yǎng)成一個(gè)健康的辦公習(xí)慣。針對(duì)于以上的問(wèn)題，我們項(xiàng)目組研究了一款多功能辦公桌，擁有辦公桌上追蹤手機(jī)無(wú)線充電、升降桌腿、傳遞水杯、智能感應(yīng)以及透明屏幕創(chuàng)意等功能[1]。

1 系統(tǒng)框圖

以STM32 和openmv 雙系統(tǒng)的通信聯(lián)調(diào)為主，通過(guò)電磁感應(yīng)式無(wú)線充電線圈、電磁鐵模塊、oled 屏幕、hc-06 藍(lán)牙模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及鋁材滑軌等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)openmv 的視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)桌子上的可充電物品進(jìn)行追蹤無(wú)線充電的功能；根據(jù)單片機(jī)內(nèi)置定時(shí)器和攝像頭結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)工作人員的工作時(shí)間來(lái)自動(dòng)升降桌腿功能；根據(jù)滑軌與電磁鐵模塊的結(jié)合來(lái)定時(shí)傳遞水杯功能；根據(jù)oled 透明液晶屏幕的特性設(shè)計(jì)一款個(gè)性化的科技感透明屏幕桌面，做到桌面智能化和自動(dòng)化。其系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1[2]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 處理器模塊的選擇及功能介紹

處理器主要采用STM32F103ZET6 作為整體軟件控制框架的控制芯片，此芯片為STM32 系列單片機(jī),片內(nèi)最多高達(dá)112 個(gè)快速I(mǎi)O 端口、12 通道DMA 控制器、3 個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換器、多達(dá)11 個(gè)定時(shí)器，13 個(gè)通信接口，并且支持SPI 和I2C 通信，內(nèi)置的資源滿足本設(shè)計(jì)多功能辦公桌的所有功能需求，并且可以通過(guò)通訊接口與openmv 攝像頭模塊的內(nèi)控進(jìn)行信息通訊，兼容性很強(qiáng)，并且該芯片還具有低功耗、低成本、高性能和集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 攝像頭驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

攝像頭控制電路采用的是openmv 高度集成攝像頭，該攝像頭是一個(gè)開(kāi)源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊，自帶STM32 處理器，集成OV7725 攝像頭芯片，可以對(duì)攝像頭傳感的圖像進(jìn)行自處理，并可與機(jī)器人主處理器進(jìn)行通訊。

openmv-H7 是一種可編程機(jī)器視覺(jué)硬件，通過(guò)和OV7725 攝像頭的結(jié)合可以支持一系列廣泛的圖像處理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在通過(guò)IDE 的允許條件下，可查看幀緩沖器和訪問(wèn)傳感器控件。STM32H743 是該模塊基板的MCU，具有32 位的Cortex-M7 內(nèi)核芯片，具有雙精度浮點(diǎn)處理單元FPU，可以實(shí)現(xiàn)攝像頭自主進(jìn)行圖片處理，在使用的時(shí)候只需要與本設(shè)計(jì)的主控制器進(jìn)行有線/無(wú)線的串口通信即可[3]。

2.3 無(wú)線充電電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線充電電路采用電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)，電磁感應(yīng)就是給初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。本設(shè)計(jì)該部分電路將220 V 的交流電通過(guò)橋式整流電路變成直流電，然后通過(guò)電容濾波作用變成脈動(dòng)直流電，脈動(dòng)直流電在高頻逆變開(kāi)關(guān)電路基礎(chǔ)上變成高頻可變的交流信號(hào)，再通過(guò)高頻RC 振蕩電路經(jīng)過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射出去，發(fā)射出來(lái)的高頻交流信號(hào)在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，在通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路，給手機(jī)、無(wú)線鍵盤(pán)等一些待充電物品充電[4]。

2.4 電磁鐵模塊電路的設(shè)計(jì)

電磁鐵模塊電路采用keyes 研發(fā)的一種吸盤(pán)式電磁鐵模塊，該模塊電路設(shè)計(jì)了3 個(gè)接口，分別是VCC、GND 以及信號(hào)線接口，通過(guò)給信號(hào)線接口脈沖來(lái)控制電磁鐵產(chǎn)生磁力的時(shí)間，相較于其他電磁模塊來(lái)說(shuō)，控制更加穩(wěn)定和簡(jiǎn)單。

2.5 藍(lán)牙模塊電路的設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)電路采用hc-06 藍(lán)牙模塊?？梢詫?shí)現(xiàn)AT 指令來(lái)設(shè)置和查詢(xún)參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)透?jìng)鳎赏ㄟ^(guò)模塊上電后使KEY 引腳接VCC 來(lái)進(jìn)入AT 狀態(tài)，通過(guò)“AT+＜=PARAM＞”指令結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置參數(shù)格式，實(shí)現(xiàn)修改藍(lán)牙名稱(chēng)、地址、波特率、記憶指令和主從狀態(tài)等功能。該型號(hào)藍(lán)牙通訊范圍較大，通訊環(huán)境穩(wěn)定[5]。

2.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用五線四相步進(jìn)電機(jī)和MINI ULN2003 驅(qū)動(dòng)模塊，步進(jìn)電機(jī)不能直接在工頻直流電源上工作，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊與其直接耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微控制器的功率接口功能。MINI ULN2003 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是五線四相步進(jìn)電機(jī)的一種專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路，該電路引出了5P 排針插座，可與電機(jī)直接連接，板載ULN2003A 驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)單片機(jī)芯片對(duì)芯片引腳的io 輸出脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間[6]。

2.7 oled 屏幕電路的設(shè)計(jì)

oled 屏幕電路選擇的是55 英寸透明oled 液晶屏幕，oled 是一種自發(fā)光有機(jī)二極管，每一個(gè)像素都可以獨(dú)立開(kāi)啟和關(guān)閉，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的屏幕模塊采用了專(zhuān)業(yè)的光學(xué)LED 燈珠使透光均勻，節(jié)能低耗，使用樹(shù)莓派高集成控制對(duì)屏幕建立hdmi 接口連接，通過(guò)拓展口協(xié)議進(jìn)行屏幕讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透明屏幕的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)程序的軟件設(shè)計(jì)

3.1 追蹤無(wú)線充電功能

該部分通過(guò)openmv 攝像頭模塊對(duì)充電物品的特征庫(kù)識(shí)別，將特征存儲(chǔ)在內(nèi)控芯片的基礎(chǔ)記憶庫(kù)里，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)將openmv 架在辦公桌上方，對(duì)桌面建立識(shí)別坐標(biāo)系，通過(guò)對(duì)桌子上物品的特征識(shí)別判斷是否為充電物品，特征庫(kù)比對(duì)正確后通過(guò)藍(lán)牙模塊對(duì)主控STM32 芯片發(fā)送物品坐標(biāo)，主控接收到之后控制步進(jìn)電機(jī)攜帶無(wú)線充電線圈移動(dòng)到待充電物品下方進(jìn)行充電。該部分控制流程見(jiàn)圖2。

3.2 定時(shí)自動(dòng)升降桌腿功能

該部分通過(guò)openmv 攝像頭模塊對(duì)辦公桌面建立的坐標(biāo)系區(qū)域（根據(jù)像素點(diǎn)分配），將桌面固定的辦公區(qū)域規(guī)劃在坐標(biāo)系中，當(dāng)檢測(cè)到辦公區(qū)域的灰度值到達(dá)閾值之后，openmv 通過(guò)藍(lán)牙模塊向STM32 主控發(fā)送指令，主控調(diào)用定時(shí)器函數(shù)開(kāi)始計(jì)時(shí)，設(shè)置時(shí)間標(biāo)志位，到達(dá)標(biāo)志位之后控制步進(jìn)電機(jī)的滑軌裝置，將滑軌帶動(dòng)桌腿進(jìn)行升降操作。該部分控制流程見(jiàn)圖3[7]。

3.3 自動(dòng)傳遞水杯功能

該部分與自動(dòng)升降桌腿功能結(jié)合，主要通過(guò)吸盤(pán)式電磁鐵模塊和步進(jìn)電機(jī)滑軌裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水杯的自動(dòng)傳遞（固定位置）。

3.4 創(chuàng)意透明桌面功能

該部分通過(guò)樹(shù)莓派對(duì)oled 透明桌面進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，在樹(shù)莓派中安裝linux 系統(tǒng)，利用C++語(yǔ)言在QT的控件庫(kù)中設(shè)計(jì)圖片模型，利用布局和邏輯代碼實(shí)現(xiàn)圖片的運(yùn)動(dòng)等一些動(dòng)畫(huà)操作，通過(guò)拓展口協(xié)議對(duì)oled液晶屏幕進(jìn)行創(chuàng)意顯示功能，也可以調(diào)用linux 操作系統(tǒng)將日期時(shí)間實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，留出鍵盤(pán)接口，可以實(shí)現(xiàn)工作人員的備忘錄編寫(xiě)，存儲(chǔ)在主控的內(nèi)置存儲(chǔ)空間[8]。該部分流程見(jiàn)圖4。

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

本研究采用Protues 仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真調(diào)試。利用其對(duì)虛擬單片機(jī)仿真具有豐富的器件庫(kù)、完善的電路仿真功能等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行仿真調(diào)試。

4.1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)電路圖

本系統(tǒng)的仿真電路圖，其中包含各種實(shí)現(xiàn)功能的模塊，能夠在仿真中模擬系統(tǒng)要求的各種功能。

4.2 系統(tǒng)功能仿真

4.2.1 無(wú)線充電

220 V 的交流電通過(guò)橋式整流電路的方式變成直流電，然后通過(guò)電容濾波作用變成脈動(dòng)直流電，脈動(dòng)直流電在高頻逆變開(kāi)關(guān)電路基礎(chǔ)上變成高頻可變的交流信號(hào)，在通過(guò)高頻RC 振蕩電路經(jīng)過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射出去，發(fā)射出來(lái)的高頻交流信號(hào)在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，在通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路，給手機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)等設(shè)備充電。

4.2.2 視覺(jué)識(shí)別

對(duì)桌面建立坐標(biāo)系，對(duì)手機(jī)進(jìn)行特征識(shí)別，建立特征庫(kù)，利用openmv 模塊識(shí)別特征物，計(jì)算特征物坐標(biāo)之后再通過(guò)hc-06 藍(lán)牙模塊將坐標(biāo)數(shù)組發(fā)回STM32 主控，發(fā)現(xiàn)手機(jī)在桌面的充電范圍后進(jìn)行特征對(duì)比，對(duì)比成功進(jìn)行充電。充電結(jié)束之后，步進(jìn)電機(jī)控制無(wú)線充電歸位。

4.2.3 定時(shí)升降桌腿

編寫(xiě)openmv 攝像頭模塊，將桌面所在的區(qū)域建立坐標(biāo)系之后，當(dāng)其中灰度達(dá)到閾值之后，藍(lán)牙發(fā)送指令給STM32 主控，其向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)配置好的脈沖。會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)的滑軌裝置，帶動(dòng)桌腿的升降。針對(duì)辦公人員的健康辦公，以一個(gè)小時(shí)低位、二十分鐘高位為一個(gè)周期，進(jìn)行定時(shí)升降桌腿，提醒辦公人員，定時(shí)工作，達(dá)到健康規(guī)劃管理的效果。

4.2.4 定時(shí)傳遞水杯

該部分主要由吸盤(pán)式電磁鐵和步進(jìn)電機(jī)滑軌裝置運(yùn)行。編寫(xiě)定時(shí)器，當(dāng)其達(dá)到定時(shí)標(biāo)志位時(shí)，給電磁鐵一個(gè)信號(hào)使之產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。并且向步進(jìn)電機(jī)發(fā)射脈沖，通過(guò)控制滑軌結(jié)構(gòu)定時(shí)傳遞水杯提醒辦公人員喝水。

4.2.5 屏幕桌面

利用樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)大透明屏幕，樹(shù)莓派可以通過(guò)linux 系統(tǒng)控制對(duì)屏幕建立hdmi 接口，設(shè)計(jì)qt 文件，再利用拓展口對(duì)屏幕進(jìn)行創(chuàng)意顯示，實(shí)現(xiàn)提示輸寫(xiě)和創(chuàng)意顯示等功能。并且可以利用linux 操作系統(tǒng)在屏幕上顯示日期，通過(guò)預(yù)留的鍵盤(pán)接口，還可以實(shí)現(xiàn)備忘錄的編寫(xiě)以及其他信息的留存等功能，并且有主控內(nèi)部的獨(dú)立儲(chǔ)存空間[9]。

5 結(jié)論

全文從項(xiàng)目背景、系統(tǒng)框圖、硬件電路搭配、程序軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真調(diào)試幾個(gè)方面論述了該桌子在智能家居市場(chǎng)的創(chuàng)新點(diǎn)以及優(yōu)秀的競(jìng)爭(zhēng)力[10]。我們團(tuán)隊(duì)也將不斷創(chuàng)新發(fā)展，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出功能更加強(qiáng)大，更符合現(xiàn)代人日常生活的智能家居。