淺談老舊家電智能化改造控制系統

程 鵬

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010010）

智能家居是在互聯網的影響下物聯化的體現。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備連接到一起進行統一控制。近年來，隨著人們對美好生活要求程度的提高，智能家居處于大爆發的狀態。而常用的家用電器也越來越多的披上了智能的外衣，大到電視、空調、冰箱，小到路由器、開關、插座。由于小型電器更換成本不高，所以可以不用考慮更換成本，但對于家中已有的大件老舊家電，由于購買時成本相對較高、安裝復雜，中國人又有著節儉的傳統美德，一般不會將完好的家電扔掉更換新產品，因此，對于老舊家電的智能化改造就成了一個必要的手段。

1 系統架構

該研究設計的老舊家電智能化改造控制系統，以STM32 開發板為主控模塊，系統主要包括Android 手機客戶端、Wi-Fi 通信模塊、STM32 開發板、多種傳感器以及電源模塊。具體控制系統框架圖如圖1 所示。其中STM32主控模塊對傳感器采集到的亮度、溫度、溫度等數據與設置參數進行比較分析，對食物類別及數量信息數據進行存儲，控制各功能模塊及數據，從而達到智能家居控制，自動調節溫度、濕度、亮度，按要求運行家電以及數據提示的功能。Android 手機與控制系統通過Wi-Fi 通信模塊進行數據設置與傳輸，實現各家電運行情況及家中參數的遠程監控[1]。

圖1 控制系統框架圖

該設計使用的STM32 開發板主處理器為STM32F103。STM32 開發板具有接口位置合理、靈活方便等特點。其接口可以進行各種外設實驗，并且主芯片能夠滿足大數據存儲的需求。

由于控制系統的各功能模塊需要與手機App 進行數據傳輸，因此需要Wi-Fi 通信模塊。Wi-Fi 通信模塊能夠及時、高效地進行數據傳輸。該設計使用了ATK-RM04 Wi-Fi通信模塊為硬件，采用串口與STM32 開發板進行通信，能夠轉換無線網、以太網、串口。不需要改變STM32 開發板的任何配置。利用ATK-RM04 Wi-Fi 通信模塊就可以通過Wi-Fi 與Android 手機進行連接。

考慮到室內溫度、濕度會影響生活舒適度，還需要設置環境監測模塊，采集亮度、溫度、濕度等數據，在STM32 模板上串接溫濕度傳感器DHT11 及光敏電阻和紅外傳感器HC-SR501，分別用于檢測室溫、濕度和區域亮度及有無人情況。

使用STM32 開發板外接2 個LED 燈，模擬空調高低檔位的切換。

使用HC-SR501 人體紅外傳感器模塊來控制開發板顯示屏的開關。

其余各數據均由Android 手機App 完成預設。

可通過Android 手機App 實時監測測量數據、預設數據和家電運行狀態。

2 改造方案設計與開發實驗

2.1 改造方案設計

該次改造的主要思路為利用太陽能作為STM32 控制系統的供電電源，利用STM32 主控模塊通過傳感器進行數據采集，通過液晶屏顯示檢測值，對溫度、濕度、亮度（有人）進行預設值自動控制，利用Android 手機遠程監測、顯示和控制家電的運行情況[2]。

2.1.1 電能部分

采用外接電池，電池是控制系統的電能來源，電池主要依靠太陽能板充電使用，在太陽能板充電量不足時用外接電路補充。

2.1.2 STM32主控制塊部分

主要對傳感器返回的數據進行分析，并將檢測數據顯示在液晶屏上。最后，采用上位機和物聯網進行通信。

2.1.3 動作部分

由繼電器完成對各家電開啟與關閉的控制。需要注意的是，STM32 主控模塊對整個系統的性能有著直接影響，是時間控制和串行通信的關鍵。目前市面上有多種單片機，包括STM32、AVR、51 等，其中STM32 單片機的性能高于其他類型的單片機，作為一種大容量的32 位ARM微控制器，其具有高性能、低功耗、低電壓運行等優勢，同時保持高集成度，便于開發32 位產品系列，符合該次改造的要求，因此優先選擇STM32 單片機。硬件的具體設計如下。

2.1.3.1 常見家電模塊

常見的家電模塊包括中大型家電如冰箱、電熱水器、空調等，還包括最常見的小型耗電設備如燈、路由器等，我們將通過對其加裝控制器與接收器的方式，實現單個處理終端對多個耗電設備的節能改造。

2.1.3.2 STM32控制模塊

該系統采用STM32 開發板對系統進行控制。STM32 單片機具有高性能、高速度的特點，特別是A/D 轉換和串行口功能，主要控制所有傳感器、計時器、以及各檢測單元、液晶顯示等硬件，并通過串行口通信和移動通信向上位機和手機發送檢測數據。

2.2 實驗改造單元及實現功能

2.2.1 對家用空調進行改造

在該次設計中，空調是改造的重點，因為老式空調沒有自動設定溫度以及變頻等功能，所以用電量極大。首先我們對空調遙控器進行改造，加裝接收器，實現手機操控。并通過溫度傳感器實時測量家中的溫度，通過單片機進行分析，給遙控器發出指令，實現變頻。

2.2.2 對家用熱水器進行改造

因為家中老舊熱水器沒有電腦板植入，無法對溫度區間進行控制，所以筆者改造熱水器的位置是熱水器的電源插座。筆者對熱水器內水溫下降10 ℃與上升10 ℃的時間進行了多次測量，通過接入繼電器實現了對熱水器的間歇供電，但考慮到日常用水的需要，我們使用單片機對時間進行設定，做到上班時間與晚上區別供電，實現節能功能。

2.2.3 對于家用照明的節能改造

我們對照明進行遠程智能控制，改造方法同樣是對開關加裝繼電器

2.2.4 家用冰箱的節能改造

對于冰箱我們選擇單獨STM32 開發板及屏幕作為總控制系統下的冰箱系統的控制單元，加裝的智能冰箱食物管家至少可實現3 個功能。1）智能人體感應。2）廚房定時器。3）食物保質期與數量管理及提醒。

首先，使用HC-SR501 人體紅外傳感器模塊來控制開發板顯示屏的開關，做到人來即亮屏，人走即熄屏。其次，寫入時間控制，利用開發板上的按鍵來實現廚房的便捷計時。最后，讀取冰箱內的存儲信息，通過提前儲存的信息做到食物過期的智能提醒，以達到減少浪費的目的，并可以為用戶推薦相關食譜。

改造后，老舊冰箱基本具有了現在主流人工智能冰箱的大部分功能

2.2.5 基于STM32的控制方式

該次改造研究的系統主要利用STM32 對改造后家電進行控制。單片機開啟后，系統能夠通過傳感器對返回的數據進行分析，分析結束后反饋給家電上的執行單元，執行命令操作，從而實現上述功能，達到智能改造和節能的目的。

2.2.6 串口通信及移動通信的控制

顯示器的所有值都可以通過PC 傳輸到上位機，并能夠通過移動通信傳輸到手機上，實現液晶屏、主機和手機的多重顯示，這有助于更好地控制與使用。

3 系統測試

基于STM32 開發板設計的智能家居控制系統，應用手機客戶端App，Wi-Fi 模塊、燈光模塊、電器模塊和溫度模塊等部件，實時了解和控制用戶的家居情況。通過系統測試，驗證了系統的穩定性和有效性。通過I/O 口，將單片機與Wi-Fi 模塊、DHT11 溫濕度傳感器進行連接。程序代碼寫到STM32 單片機開發板上。打開手機App，輸入IP 地址，連接Wi-Fi。成功接入后，檢測燈光、視頻、溫濕度控制等情況。結果顯示，系統運行良好，符合智能家居控制系統的設計要求。傳感器具體工作示意圖，如圖2 所示。

圖2 傳感器工作示意圖

4 結語

該研究基于STM32 開發板設計的老舊家電智能化改造控制系統，通過Wi-Fi 通信技術對環境檢測模塊、燈光照明模塊、食物管理模塊進行遠程監控和設置，使舊家電基本具有智能家居的基礎功能。并且操作簡單、成本低廉，具有良好的實用性。經過改造，老舊家電被賦予了新的生命，大大降低了家電的淘汰率。