基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電飯煲

朱慧君，王健偉，陳 軻，賴志鋒，仇興雷

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義

物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出的，被視為互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)的核心。在智能電網(wǎng)、智能交通、物流管理、醫(yī)療領(lǐng)域都有著典型的應(yīng)用。從2008年以來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面都投入了大量的人力物力，著重來(lái)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。而我國(guó)在雖然也非常重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，但是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)相較于歐美國(guó)家存在一定得差距，因此物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展存在不足。特別地，在國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并沒(méi)有得到充分地利用。

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制和各領(lǐng)域壓力測(cè)量、控制中發(fā)揮著十分重要的作用。1945年史密斯依據(jù)硅與鍺的壓阻效應(yīng)制成了壓力傳感器，經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展國(guó)內(nèi)外的壓力傳感技術(shù)已完全成熟。壓力傳感器在工業(yè)配料稱重、汽車行業(yè)、醫(yī)療市場(chǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用都取得了良好的效果。尤其是，壓力傳感技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用已十分成熟，并表現(xiàn)出其突出的優(yōu)點(diǎn)，但在電飯煲上的應(yīng)用并不常見(jiàn)，國(guó)內(nèi)上沒(méi)有將壓力傳感器應(yīng)用于電飯煲。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電飯煲的遠(yuǎn)程遙控，同時(shí)結(jié)合壓力傳感技術(shù)和電磁閥，實(shí)現(xiàn)電飯煲的自主進(jìn)米進(jìn)水，全程實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自動(dòng)操作，從而解放了用戶的勞動(dòng)力，方便了用戶的生活。本項(xiàng)目的研究意義在于既能使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及壓力傳感技術(shù)在家電領(lǐng)域取得實(shí)際突破，又能通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)科技提高人們生活質(zhì)量的理念。

2 研究目標(biāo)

將壓力傳感技術(shù)與電磁閥相結(jié)合應(yīng)用到電飯煲上，實(shí)現(xiàn)了電飯煲自動(dòng)進(jìn)水進(jìn)米。進(jìn)行生活調(diào)查，采集數(shù)據(jù)，得到不同蒸煮方式下水和米的配比關(guān)系，進(jìn)行擬合，得到數(shù)學(xué)函數(shù)，轉(zhuǎn)化為程序加入單片機(jī)中。由壓力傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)壓力得到電飯煲中物質(zhì)的實(shí)時(shí)質(zhì)量，以此為根據(jù)對(duì)電磁閥線圈通斷電，實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi)合。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置，能夠準(zhǔn)確得將水和米輸送到電飯煲中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加入通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及實(shí)時(shí)交互。加入GMS模塊，與單片機(jī)通過(guò)串口連接，進(jìn)而控制家電。用戶在遠(yuǎn)程控制端輸入指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。用戶也可以發(fā)送指令以了解家電的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。

3 設(shè)計(jì)工作原理

3.1 智能電飯煲的工作原理

智能電飯煲主要由電源部分和控制電路組成。智能煲的工作原理是利用微電腦芯片，控制加熱器件的溫度，精準(zhǔn)的對(duì)鍋底溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)接通電源后，所有指示燈亮，進(jìn)入功能選擇狀態(tài)，用戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)自主選擇蒸煮方式。

3.2 壓力傳感器的原理

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件(或應(yīng)變計(jì))組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.3 遠(yuǎn)程控制原理

圖2為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理圖，系統(tǒng)在空閑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；用戶通過(guò)發(fā)送指令激活系統(tǒng)，經(jīng)GSM模塊接受指令，單片機(jī)解碼，驅(qū)動(dòng)控制電路去控制相應(yīng)的家電工作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。

整個(gè)系統(tǒng)GSM模塊通過(guò)串口與單片機(jī)模塊相連接，將接受的指令傳給單片機(jī)控制模塊，由單片機(jī)根據(jù)接受的指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路進(jìn)行具體控制。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理

3.4 電磁閥的工作原理

分布直動(dòng)式電磁閥主要由電磁閥電磁線圈，閥體，閥蓋，主閥芯，動(dòng)鐵芯，彈簧和卸壓孔等組成具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。我們的設(shè)計(jì)中采用的是常閉型電磁閥。對(duì)于常閉型電磁閥，當(dāng)電磁線圈通電時(shí)，動(dòng)鐵芯吸合，打開(kāi)卸壓孔，同時(shí)拉動(dòng)主閥芯，主閥芯靠拉力和介質(zhì)的壓差力推動(dòng)，閥打開(kāi)。當(dāng)電磁線圈斷電時(shí)，動(dòng)鐵芯靠彈簧回位關(guān)閉卸壓孔，同時(shí)推動(dòng)主閥芯回位，閥關(guān)閉。帶信號(hào)反饋其的原理：當(dāng)電磁閥打開(kāi)是，公共線與開(kāi)信號(hào)線不通；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，公共線與關(guān)信號(hào)線相通，與開(kāi)信號(hào)線不通。分布直動(dòng)電磁閥采用不銹鋼活塞，使閥的承壓能力大大提高，活塞伸展自如，金屬活塞與閥腔不產(chǎn)生直接摩擦，克服了易卡死的弊端，介質(zhì)戒指處采用相對(duì)應(yīng)的材料密封，提高閥的密封性能，延長(zhǎng)了電磁閥的使用壽命。

圖3 分布直動(dòng)式電磁閥結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用壓力傳感技術(shù)和電磁閥的電飯煲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能電飯煲都不是遠(yuǎn)程遙控來(lái)自動(dòng)進(jìn)米給水這一類，基于傳感技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款遠(yuǎn)程遙控的智能電飯煲，突破了電飯煲在人工加米加水的模式，開(kāi)創(chuàng)了遠(yuǎn)程遙控電飯煲的新理念。相較于現(xiàn)有的智能電飯煲，這一設(shè)計(jì)使得家用電器更加的人性化、網(wǎng)絡(luò)化，大大節(jié)約了人們的時(shí)間，方便了人們的生活。

技術(shù)路線：在電飯煲的蓋子里安裝上加水和加米的電磁閥，其次將壓力傳感器設(shè)置于電飯煲的底部，用來(lái)測(cè)量加米加水的量，同時(shí)結(jié)合單片機(jī)合理的計(jì)算出所要加的米水的比例關(guān)系；最后利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和實(shí)時(shí)交互。智能電飯煲結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 智能電飯煲結(jié)構(gòu)原理圖

5 工作流程

（1）用戶在遠(yuǎn)程控制端，如手機(jī)，進(jìn)行用戶登錄，輸入指令，如“煮粥，50g米”。

（2）指令經(jīng)過(guò)解碼，控制米桶電磁閥，配合壓力傳感器進(jìn)行調(diào)控，放入50g米。

（3）電飯煲芯片根據(jù)函數(shù)算出煮粥時(shí)50g米需要多少水，如“500g”，打開(kāi)進(jìn)水電磁閥，配合壓力傳感器，在總質(zhì)量達(dá)到550g時(shí)關(guān)閉電磁閥。

（4）開(kāi)始煮粥。見(jiàn)圖5。

圖5 工作流程圖

6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新特色概述

（1）壓力傳感技術(shù)與電磁閥相結(jié)合。利用壓力傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量地出所加的水和米的量，同時(shí)通過(guò)接收到壓力傳感器傳輸過(guò)來(lái)的反饋值—電信號(hào)，電磁閥也能夠精確地打開(kāi)和閉合，實(shí)現(xiàn)了智能電飯煲的自主加水加米。通過(guò)應(yīng)用這兩種技術(shù)，電飯煲的性能變得更加的全面化，大大解放了人們的勞動(dòng)力，方便了人們的生活。

（2）應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加入通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及實(shí)時(shí)交互。加入通信模塊，與單片機(jī)通過(guò)串口連接，進(jìn)而控制家電。用戶在遠(yuǎn)程控制端輸入指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。用戶也可以發(fā)送指令以了解家電的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。

（3）遠(yuǎn)程智能，實(shí)用快捷。這項(xiàng)設(shè)計(jì)只需要用戶通過(guò)手機(jī)或者電腦對(duì)電飯煲發(fā)布命令，當(dāng)用戶選擇好所要做的米量及蒸煮方式后，電飯煲收到用戶指令開(kāi)始工作，自主加米加水蒸煮。完全不需要用戶在現(xiàn)場(chǎng)去操作電飯煲，非常實(shí)用快捷，節(jié)約了用戶時(shí)間，也解放了用戶的勞動(dòng)力。

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