基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的成套商用冰箱智能控制器研究

董 茂，王志恒，張艷杰，荀 一，楊慶華*

(1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014;2.銀都餐飲設(shè)備股份有限公司，浙江杭州311100)

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強(qiáng)，對冰箱的要求不再僅僅停留在低溫冷儲藏上，而從冰箱耗電、食品保鮮和智能化管理等角度向廠家提出了更高的要求［1］，將傳統(tǒng)的冰箱設(shè)計成帶網(wǎng)絡(luò)功能的智能冰箱已成為未來冰箱發(fā)展趨勢的主流。在國外，網(wǎng)絡(luò)冰箱早已成為了各大廠家競相發(fā)展的新一代產(chǎn)品，瑞典伊來克斯公司、韓國LG電子、三星都各自推出了帶食物管理、互聯(lián)網(wǎng)與娛樂功能的網(wǎng)絡(luò)家用冰箱［2-4］。而在國內(nèi)，由于網(wǎng)絡(luò)冰箱的市場應(yīng)用推廣受限，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)冰箱的控制研究較少，而針對商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)商用冰箱的研究更是寥寥無幾。鄭州輕工業(yè)學(xué)院的李銀華等［5-6］于2005年對一種新型帶條碼錄入功能的網(wǎng)絡(luò)家用變頻冰箱控制器進(jìn)行了研究，其在理論和實(shí)際上有一定的新意，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降噪雙重效果。而商用冰箱與家用冰箱不同，其主要應(yīng)用在一些大型的超市、酒店及便利店等餐飲服務(wù)行業(yè)中，一般采用數(shù)臺不同功能的商用冰箱聯(lián)合使用，但每臺冰箱之間并沒有“聯(lián)絡(luò)”，在實(shí)際使用過程中主要存在以下典型問題:能耗過高，且保鮮效果差;壓縮機(jī)頻繁啟動關(guān)閉，使用壽命短;導(dǎo)致衛(wèi)生狀況差;不利于調(diào)度管理及應(yīng)急響應(yīng)差等。針對這些問題，本研究研制一種基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的成套商用冰箱智能控制器。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

根據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)冰箱控制系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，本研究將整個控制系統(tǒng)劃分為5個主要功能模塊［7］，系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊圖

其中，WiFi無線通信模塊主要負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊工作;條形碼掃描模塊負(fù)責(zé)掃描存入冰箱的食品相關(guān)信息，通過串口與CPU連接;溫度控制模塊主要完成冰箱的溫度檢測與控制，包括冰箱庫溫檢測、蒸發(fā)器溫度檢測、環(huán)境溫度檢測、壓縮機(jī)的模糊變頻控制、風(fēng)扇除霜的控制及門狀態(tài)的檢測等幾個部分;上位機(jī)故障監(jiān)控及自診斷模塊實(shí)時監(jiān)控冰箱的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)冰箱運(yùn)行出現(xiàn)故障時，自動對可能產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行預(yù)判斷;電源模塊主要負(fù)責(zé)給各模塊供電。

2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模糊變頻調(diào)速模塊

2.1.1 變頻調(diào)速電路

控制器壓縮機(jī)變頻調(diào)速模塊的電路原理圖如圖2所示。變頻調(diào)速模塊電路主要包括3部分:①整流電路;②濾波電路;③IGBT全橋驅(qū)動電路。

圖2 變頻調(diào)速電路原理圖

變頻調(diào)速電路的工作原理如下:整流電路由4個整流二極管 D1，D2，D3，D4接成全橋的形式，把220 V/50 Hz的工頻電網(wǎng)電壓直接引入，進(jìn)行全波整流，將交流電變成直流電;再經(jīng)由C1、R1和C2構(gòu)成π型RC濾波電路，濾去整流輸出電壓中的紋波，盡量使整流輸出的電壓平滑;由6個IGBT Q1～Q6組成三相直流電機(jī)的全橋驅(qū)動電路，本研究采用上橋PWM調(diào)制，下橋恒通的調(diào)制方式。該系統(tǒng)選用Microchip公司生產(chǎn)的DspIC30f5013芯片作為控制器的主控芯片［8］，來自DSP的PWM波形(最高5 V電壓)經(jīng)過雙路光耦HCPL2630驅(qū)動芯片IR2103S后輸出幅值為15 V，上、下橋臂互補(bǔ)的PWM波形，PWM全橋驅(qū)動波形如圖3所示。

圖3 PWM全橋驅(qū)動波形

2.1.2 過零點(diǎn)檢測及換向控制策略

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°電角度存在6次換相，其順序?yàn)镼3Q6，Q1Q6，Q1Q4，Q5Q4，Q5Q2和 Q3Q2。筆者通過分壓電阻對端電壓和直流側(cè)電壓進(jìn)行同比例分壓來獲得反電動勢過零點(diǎn)位置，而各相導(dǎo)通的時間和順序取決于轉(zhuǎn)子的位置，理想的反電動勢如圖4所示。

圖4 理想的反電動勢和過零點(diǎn)檢測波形

由基于“端電壓法”的反電動勢檢測原理可知，三相直流電機(jī)不導(dǎo)通相的反電動勢只與端電壓有關(guān)［9］，其反電動勢計算方程為:

因此通過計算相電壓的差值，就可以得到三相直流電機(jī)反電動勢的過零點(diǎn)Z點(diǎn)，然后再延遲30°電角度，就是該相橋臂IGBT的導(dǎo)通時刻C點(diǎn)。

2.1.3 模糊控制原理

在變頻冰箱溫度模糊控制器的控制過程中，為了減少軟件系統(tǒng)的計算量，模糊控制算法采用查表法。模糊控制器由兩個模糊控制規(guī)則構(gòu)成，控制規(guī)則Ⅰ采用目標(biāo)溫度接近度e和偏差變化率ec作為輸入，以PWM占空比c作為輸出變量［10］，制定出模糊控制表Ⅰ;而推理規(guī)則Ⅱ的輸入量包括蒸發(fā)器溫度、箱門狀態(tài)及環(huán)境溫度等信號，輸出量為占空比c的影響因子t，模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖

下面以模糊控制規(guī)則Ⅰ為例求取模糊控制表的過程。對冰箱室溫的目標(biāo)接近度e和偏差變化率ec的模糊劃分一致取負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)5個模糊集，對應(yīng)離散論域取{－2、－1、0、1、2}這5個元素。變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制占空比c取零(Z)、低(L)、中(M)、大(B)、極大(VB)5 個模糊集，對應(yīng)的離散論域取{0、1、2、3、4}。

假定冰箱室溫的目標(biāo)接近度e的論域?yàn)椋郏瓁，x］，隸屬度函數(shù)為等腰三角形，為把它變換為離散論域{－2、－1、0、1、2}，則有量化因子 qe=［2 －(－2)］/［x－(－x)］=2/x，因此目標(biāo)接近度e在離散論域中的模糊量如圖6(a)所示。同理，可以得到偏差變化率ec和輸出占空比c對應(yīng)離散論域中的模糊量。不過占空比c所對應(yīng)的模糊量為單點(diǎn)，這是因?yàn)樵趯?shí)際的變頻冰箱控制中，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不是連續(xù)調(diào)節(jié)的，而是離散調(diào)節(jié)的［11］，其離散論域中的模糊量如圖6(b)所示。

圖6 接近度e、偏差ec和控制量c的模糊量

根據(jù)模糊控制規(guī)則Ⅰ生成冰箱模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Ⅰ表

當(dāng)控制量c取0時，壓縮機(jī)不運(yùn)行;控制量c取1、2時壓縮機(jī)低速運(yùn)行;控制量c取3時，壓縮機(jī)中速運(yùn)行;控制量c取4時，壓縮機(jī)高速運(yùn)行。

2.2 無線WiFi模塊

結(jié)合商用冰箱在實(shí)際使用過程中分布較散的特點(diǎn)，成套商用冰箱設(shè)備應(yīng)選擇方便且易擴(kuò)展的WIFi無線通訊模式，基于網(wǎng)絡(luò)成套商用冰箱設(shè)備原型如圖7所示，整套設(shè)備原型包括1臺控制計算機(jī)、1個基站(接入點(diǎn)AP)及若干個不同功能的商用冰箱，其中每個商用冰箱相當(dāng)于一個移動站，與基站通過無線連接，基站與控制計算機(jī)通過有線方式連接，同時計算機(jī)通過門橋接入因特網(wǎng)。

圖7 基于網(wǎng)絡(luò)成套商用冰箱設(shè)備原型

該研究采用美國RN公司生產(chǎn)的RN-171串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，控制器正常工作時，UART-WiFi模塊將下位機(jī)采集到的冰箱溫度、冰箱入庫食品條形碼信息、壓縮機(jī)及風(fēng)扇工作情況、控制器電參數(shù)數(shù)據(jù)、冰箱故障信息等通過無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時接收上位機(jī)控制指令，并通過串口傳輸至下位機(jī)。

2.3 條形碼掃描模塊

該系統(tǒng)采用漫反射的光電開關(guān)與條碼掃描引擎配合使用，當(dāng)被掃描對象接近掃描引擎時，光電開關(guān)觸發(fā)CPU發(fā)送掃描觸發(fā)命令至掃碼引擎，完成一次掃描，反之掃描引擎不工作。另外，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)串口使用的是RS232電平，而CPU主控單元使用的是TTL電平，兩者之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。因此，掃描器工作電路需要增加MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)，增加有效的通信距離。掃描引擎的具體工作情況示意圖如圖8所示。

圖8 條形碼掃描模塊工作原理圖

3 控制器軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)控制軟件設(shè)計

成套網(wǎng)絡(luò)商用冰箱系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計主要由主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序組成。軟件全部采用了程序模塊化設(shè)計，各子程序主要包括:①初始化子程序:串口初始化、定時器初始化及各子程序初始化等;②中斷子程序:定時器中斷、串口中斷子程序;③溫度檢測與控制子程序;④故障自診斷子程序等。下位機(jī)軟件主程序設(shè)計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件主程序設(shè)計流程圖

為了保證無線WiFi通訊過程中傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要擬定一定的通訊協(xié)議。該系統(tǒng)采用的通訊協(xié)議其一般格式如下所示:

數(shù)據(jù)頭 數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)尾2 Bytes 0～20 Bytes 2 Bytes

其中，通訊協(xié)議的的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾統(tǒng)一占用2 Bytes空間，不同控制指令的數(shù)據(jù)頭不盡相同，而數(shù)據(jù)尾則統(tǒng)一為0x6E、0x77;而控制指令的數(shù)據(jù)信息長度則因指令功能不同而不同，以設(shè)定壓縮機(jī)工作模式指令為例，其控制指令協(xié)議設(shè)置如表2所示。

表2 壓縮機(jī)工作模式指令協(xié)議(十六進(jìn)制)

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

成套網(wǎng)絡(luò)商用冰箱系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Microsoft Visual C++6.0軟件編譯，其界面效果如圖10所示。該網(wǎng)絡(luò)冰箱控制與管理系統(tǒng)主要包括用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)分析等，控制軟件具有以下功能:①按照存儲食物的要求在線調(diào)整每個冰箱的存儲溫度;②在線顯示每個冰箱中食物的存儲量，合理優(yōu)化各個冰箱食物存儲量;③在線顯示食物的存儲時間，并通過報警提示，避免食物過期;④故障自診斷，根據(jù)下位機(jī)的故障信息實(shí)時顯示警報功能。

圖10 網(wǎng)絡(luò)冰箱控制與管理系統(tǒng)界面

故障自診斷設(shè)計思路主要由故障信息采集和故障信息錄入兩部分組成［12］。由管理員將維修人員收集的信息錄入數(shù)據(jù)庫，建立一個專家?guī)煜到y(tǒng)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將冰箱控制器相關(guān)溫度及電參數(shù)與冰箱正常運(yùn)行時控制電路的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比，查出可能的故障原因，提高檢修效率;同時，對某些不準(zhǔn)確的信息修改后重新收集并錄入專家?guī)煜到y(tǒng)，可見，系統(tǒng)故障自診斷設(shè)計是一個長期累積的過程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該控制系統(tǒng)采用三星MKV19G-L2J型號的壓縮機(jī)，其具體參數(shù)如下:電機(jī)極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速4 000 r/min，兩相繞組間相電阻為12 Ω，母線電壓310 V，額定工作電流為3 A。控制器的實(shí)際控制效果圖如圖11所示。

圖11 控制器實(shí)際控制效果圖

由于壓縮機(jī)在靜止時反電動勢為零，無法通過反電動勢法啟動壓縮機(jī)，該系統(tǒng)采用定時切換的定子繞組通電順序的方法讓壓縮機(jī)從靜止加速運(yùn)轉(zhuǎn)到一定的穩(wěn)定速度，再切換至反電動勢法運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1 450 r/min時，壓縮機(jī)一相的端電壓波形如圖12所示。

5 結(jié)束語

圖12 壓縮機(jī)一相端電壓波形圖

該成套網(wǎng)絡(luò)商用冰箱智能控制器是集食品信息采集分析、溫度遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與監(jiān)控、冰箱模糊變頻控制、冰箱故障自診斷功能于一體、全方位全過程數(shù)據(jù)監(jiān)控的成套設(shè)備調(diào)度控制管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該控制器控制時，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，具有安全可靠、管理方便、能耗低、保鮮效果好、健康衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，在高檔酒店、大型超市等諸多需要數(shù)量較多的商用冰箱的場所中具有很好的應(yīng)用前景。

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