基于單片機的智能冰箱系統

鄧然 邵鑫宇 于劍光 朱英坤

摘要：互聯網技術的日益發展帶動了智能冰箱的市場占有率，家電接入物聯網邁入高速市場化發展期，從而帶有無線通信模塊的智能家電迎來了發展期。智能冰箱能夠進行不同模式間切換，自動適應不同環境，始終保持食物最佳儲存狀態，通過電腦或手機，可以對冰箱內食物數量、質量進行監控，為用戶提供健康食譜，通過互聯網進行網絡下單補充食材，并能進行美食分享。本系統旨在設計一款智能冰箱系統，選用性能較高的STM32單片機進行系統搭建，使冰箱內環境參數恒定，可以通過智能化手段查看數據。利用DS18B20傳感器實現對冷凍室溫度測量。DHT11傳感器實現對保鮮室內溫濕度測量，可以通過屏幕查看當前溫濕度。根據測量結果自動啟動設備實現制冷，除霜。通過Wifi無線通信實現，終端設備查看數據。

關鍵詞：冰箱;溫度;單片機;無線通信

1緒論

1.1 課題研究的背景和意義

隨著人們對智能新技術依賴和需求不斷提高。智能家居成為了人們追求的目標。智能家居利用家庭住宅為平臺，將目前多種成熟技術、智能化硬件、智能終端等進行應用，組建成一個智能化家居系統。在目前國家經濟快速發展的同時，對于家居住宅節能減排、保護環境、綠色、低碳等要求下，智能家居控制設備所體現出的自身優越性，逐漸成為住宅行業未來發展追求的重點。

1.2 智能冰箱的研究現狀

國外對智能家居的研究從1980年開始，到目前為止已經發展了三十多年，比中國起步早，大概經過了四次技術變化。

智能家居產品使用最多的是第三次智能家居技術，實現家中所有設備統一控制，不過第四次技術中使用IP技術，在一些發達國家已經開始研發，有相應的產品。

2013年4月，三星推出了一款名為T9000的智能冰箱，除了冰箱本身在外觀上是四開門的設計外，最為吸引人眼球的是這款冰箱加載了安卓的系統，這款冰箱門上配備了一塊10英寸的觸摸屏，支持WiFi網絡的連接，并且有自帶的筆記應用程序Evernote

海信也在2012年11月份推出了博納SMART智能冰箱，這款冰箱可以搭載物聯云服務，引入全新的食品管理功能。2015年海爾公司發布“馨廚”互聯網智能冰箱，自帶10寸屏幕、立體聲揚聲器，通過此電子屏可以進行影音娛樂播放，生活咨詢查詢，以及網絡交互等。

1.3 主要研究內容

基于單片機的智能電冰箱設計與實現，DS18B20溫度傳感器采集冰箱內冷凍室內溫度，DHT11溫濕度傳感器采集冰箱冷藏室內溫度和濕度，數據傳送給STM32F103主控單元模塊，OLED液晶顯示數據。根據不同數據可以控制制冷設備和除霜設備，同時無線傳輸數據到終端設備顯示，達到恒溫恒濕的效果。

2 智能冰箱總方案設計

根據智能冰箱的特性可知，家居冰箱數據傳輸要求通信方式具有數據量小、傳輸距離比較近、節點多、安全系數高等特點，而無線通信具有自組網、多節點、低功耗、短延遲等特點，無疑是智能家居內部網絡通信方式的最佳選擇，所以在智能家居通信方式上采用WiFi等無線通訊方式相結合的形式。

2.1 系統分析

系統主要由以下部分組成：智能冰箱、遠程服務器及智能移動終端（智能手機或PAD）。系統以STM32F103單片機為控制核心，利用DHTIl數字式溫度傳感器采集溫度信號，并送入單片機處理后顯示。然后把數據通過單片機的串口送入串口轉Wi-Fi數據傳輸模塊中，由該模塊進行無線數據的收發。無線路由器進行中繼和路由，遠程服務器對收發的數據進行處理，并與智能移動終端進行通信，由智能移動終端對冰箱進行遠程控制及遠程狀態顯示。智能冰箱控制系統及無線系統結構框圖如圖2-1所示。

2.2 無線通信方案選擇

本系統采用無線通信方式通信，將傳感器采集到冰箱的數據經過無線方式傳送到手機顯示，同時通過此無線方式，進行控制。

2.2.2 Wifi

WiFi之所以能夠風行全球，這與它的固有特性是分不開的，相比于其他無線通信技術，傳輸速度快、電力消耗非常低、無線鏈路更好的工作、高信號可靠性。采用wifi無線通信方式作為無線通信方案。

2.3 智能冰箱硬件選型

在智能冰箱系統的設計當中，硬件選擇主要包括控制器芯片、溫度傳感器和WIFI芯片。同一個功能，可以選擇不同的硬件，但是好的硬件對整個系統的穩定性、功耗和經濟成本至關重要，因此，硬件的選擇對于本研究方案至關重要。

2.3.1控制器芯片選擇

該微處理器功能強大、價格低廉，工作電壓在2～3.6V，具有多種省電模式，這保證了低功耗應用，工作環境溫度在-40℃～+80℃/-40℃～+105℃，這顯示了它可以在寒冬酷暑的季節穩定運行。

主要具有以下幾種優勢：

（1）成本低

（2）功能強大

（3）技術成熟

（4）功耗相對較低。

2.3.2冷藏室溫濕度傳感器選擇

DHT11溫濕度傳感器也是一款含有已經校準的數字信號輸出的溫濕度傳感器部分。具有的數字模塊的采集技術與溫濕度傳感器的技術，保證了產品含有很好的可靠性與穩定性。這DHT11溫濕度傳感器如圖2-3所示。

2.3.3冷凍室溫度傳感器選擇

冷凍室需要對食品進行冷凍，所以需要選擇一款量程適合低溫檢測的傳感器。DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

2.3.4 Wifi模塊選擇

ATK-ESP8266是一款高性能串口-無線模塊，它板載ESP8266模塊，通過串口和主控芯片通訊，這樣可以很方便和主控芯片進行連接，最終選取ATK-ESP8266作為系統的WiFi模塊。

2.4 系統軟件選型

在 STM32 主控芯片開發時采用的是Keil u Vision5 開發環境。它主要針對 ARM 處理器，特別是采用 ARM Cortex-M 作為內核的處理器。Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基礎上，加強了對 Cortex-M微控制器開發的支持，并且把傳統的開發模式和界面分成了 MDK Core 和Software Packs 兩部分。

經過方案討論，最后制定了最終智能冰箱系統設計方案。硬件框圖如圖2-6所示。

3 系統軟件設計

本文軟件設計選擇在STM32主控芯片開發時采用的是Keil u Vision5開發環境。采用JLINK仿真器進行研究。在進行系統設計的過程中應用了模塊化的設計思路，也就是說系統中的各個環節由子函數的調用發揮作用。

3.1 軟件總體設計

Keil u Vision5是keil公司2013年10月推出的一款主要針對使用u Vision5 IDE 集成開發工具，它主要針對ARM處理器，特別是采用ARM Cortex-M作為內核的處理器。

Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基礎上，加強了對Cortex-M微控制器開發的支持，并且把傳統的開發模式和界面分成 MDK Core 和Software Packs 兩部分。

JLINK仿真器是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，主要是為支持仿真ARM內核芯片，能在KEIL、ADS等多種集成開發環境下支持大部分ARM系列內核的仿真。

4結論

本文設計一款簡單實用價格低廉的智能冰箱系統。該系統采用STM32 作為硬件平臺，配合嵌入式操作系統實現智能控制的基本功能。該系統不追求華麗外表，主要是價格低廉、簡單實用，著眼于低端市場。本文設計了一種智能冰箱系統，該系統基于Wifi無線通信技術實現冰箱內食品環境溫濕度信息采集、冷藏室和冷凍室等溫度遠程調節與監控、信息提示功能、數據存儲等集控制和信息管理于一體，全方位全過程數據質控的成套設備及控制管理系統，具有安全可靠、能耗低、保鮮效果好、健康衛生等優點。

參考文獻

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[2]呂秀鳳，焦其意，崔培培，高冬花.綜述智能冰箱的發展現狀[J]. 家電科技，2015，（11）：24-25.

課題類別：黑龍江省教育科學“十四五”規劃2021年度重點課題

課題名稱：新工科背景下基于AIOT的物聯網工程專業人才培養模式的探究

課題編號GJB1421618

哈爾濱華德學院 黑龍江哈爾濱 150028