项目简介：

我们本项目的设备开发是以嵌入式技术为核心，利用网络优势在手机客户端、洗衣机智能控制终端实现常规洗衣机的远程操控、远程故障分析诊断及相应的处理。

我们的设计思路是：先确定选择双系统之间的数据交流所使用的无线通信模块以及用于远程控制的模组。最终论证及确定总体方案。无线通信将会影响整个系统的稳定性以及近远程控制的及时性。考虑到人性化设计以及现代工艺的质量进行选择人机交互的方式以及安装使用的可实现性。对于外围设备的选择，主要考虑到硬件上所使用的数据传输方式、传输速率、传输字长和位数。根据现实情况以及对于需要的资源分析进行确定所需处理器。

基于对上述要求的分析与研究，整体系统上分为智能终端子系统由七大模块构成：系统供电电路、处理器系统电路、串口调试电路、音频输出电路、无线通信电路、声光指示电路以及人机交互。洗衣机设备端也是由七大部分构成：系统供电电路、双系统无线通信电路、传感器信号采集输入电路、处理器系统电路、驱动输出控制电路、声光指示电路以及人机交互。

无线通信包括蓝牙模组、WIFI模组以及SIM800A模块。WiFi模组安装在洗衣机设备控制端，SIM800A模块装在智能终端，两者结合用于实现双通道远程控制。

硬件说明：

整体效果（洗衣机智能终端）：

注：作品具体效果详见视频

1、系统电源电路

物联网洗衣机智能终端的电源采用12V大容量聚合物锂电池供电，因为GSM模块正常时需要5V电源，而且SIM800A模块的突发耗电的最大电流能够达到2A，所以外加的开关电源要足以提供SIM800A模块及其他额定电流的条件。本终端子系统中，所选择使用的电源是输出电压12V，输出电流6.8A的大容量聚合物电池通过LM2596降压到5V给GSM模块以及其他需要5V电源的电路供电。使用如图1所示的LM2596开关电源电路，开关电源芯片LM2596输出稳定纹波小，广泛应用于车载、中小型等高压差电子设备中。

本系统中的处理器系统单元以及WIFI模组等需要3.3v电源供电，采用两个LDO电源芯片AMS1117作为数字电源和模拟电源分别给单片机系统电路及音频模块提供3.3V电源。物联网洗衣机设备控制端采用12V电源适配器提供12V直流电，然后经过LM2596和AMS-1117芯片分别提供稳定的5v和数字与模拟双3.3v电源。

  图1 LM2596典型应用电路

输出电压的计算可由下式给出： 

                    (3.1)

其中：=1.23V，   

由上式可得                     

  (3.2)

为了给整个硬件系统提给稳定可靠的电源，对硬件系统电源地做合理的处理是很有必要的，否则将会影响数据的通信、软硬件的调试甚至会导致PCB板成为废板。12V电源输入电路采用肖特基二极管SS14以及SMBJ12A进行防反接以及防瞬间浪涌的保护设计，具体电源系统电路如下所示。

12V电源输入及数字地与模拟地隔离电路如图2所示。

图2 12V电源输入及数字地与模拟地隔离电路图

12伏适配器或大容量电池电源转5伏电源的电路原理图如图3所示。

图3 12伏转5伏电源原理图

3.3V稳压电路如图4所示。

                                                 图4 3.3V稳压电路图

2、单片机系统模块

本系统采用STM32F4系列单片机作为双系统的处理器，STM32F407ZGT6单片机优异的性能决定了本物联网智能洗衣机控制系统样机的最终平台。STM32F407具有168Mhz的主频，多达192KB的片内SRAM、具有高速OTG等相当多的资源。更重要的是F4相对于F1的处理器而言具有更低的功耗。

本系统单片机核心系统模块包括复位电路、备用电池电路以及很重要的11个电源的滤波电容等。单片机处理系统电路是单片机能正常工作的最简的电路，电路连接如图5所示。

图5 单片机核心系统电路

3、人机交互模块

本设计中都是使用带有触摸屏的4.3寸液晶屏作为人机交互模块。用户可以通过触摸屏方便操控整个物联网设备系统。物联网智能控制终端设计有多个功能界面，通过选择不同的界面即可使用各个功能。多功能界面的设计，使得使用者对终端的操作更加明了。

3.1触摸屏输入

       本设计中采用的均是电容触摸屏，电容触摸屏是按照两个交叉的电极矩阵进行检测每一格感应单元的电容变换从而得到相应的触摸值。

       电容触摸屏相比较于电阻屏市场价格很高、也没有较高的抗干扰能力，但是手感好、无需像电阻屏一样进行校准而且电容触摸屏的透光性较好。所以触摸屏选择电容式触摸屏，更有利于用户的使用体验。

3.2  4.3寸LCD液晶屏

本模块的主要用途是用于调试软硬件以及完成对整个系统的操控、显示洗衣机工作状况及相关传感器数据。

系统设计时参考了许多文献及数据手册，采用了合理的硬件设计及软件设计，所以在使用彩屏时也可以得到更快的刷屏速度。LCD屏的RST信号线设计在STM32F407ZGT6的复位脚上面进行资源的节约。对于液晶屏的使用其实就是画点与读点操作。所以，可以使用液晶屏自带的例程进行设计自己的智能画图等，简便的库函数接口以及灵活的运用使得LCD液晶屏增添了整个系统的使用体验。在人机交互这一设计中很重要的一块便是STM32F407芯片自带的FSMC接口资源。因此，就可以将LCD屏当做SRAM进行控制使用。相较于STM32F103RCT6驱动LCD屏，会有更快的刷新速度。人机交互电路如图6所示。人机交互界面效果如图7所示。

                        图6  LCD液晶屏电路

图7  LCD屏界面效果图

4、通信模组及网络通信结构

嵌入式WIFI模组和GSM模组在系统的设计中是用于进行命令、参数等协议数据的接收与发送，是设备数据同云服务器之间通讯的中转站。

对于嵌入式WIFI模组的工作流程是：洗衣机设备端上电、WiFi模组请求设备信息、设备回复WiFi模组信息、设备正常工作不断回复WiFi模组的心跳包、WiFi模组网络状态变化通知设备处理器STM32F407，然后，进行配置入网。配置入网流程如图8所示。WiFi模组电路原理图，如图9所示。物联网洗衣机控制系统的网络结构如图10所示。

图8  WiFi配置入网流程 

                       图9 控制系统的网络结构图

                                                       图10 控制系统的网络结构图

5、串口调试模块设计

该模块电路主要是为了方便系统开发中样机的调试。串口通讯调试电路中的芯片选择的是国产CH340G芯片，因为其具有较强的稳定性，所以在调试时使用相当稳定高效。此模块的一键下载电路，实现了无需手动设置BOOT0以及使用复位按键就可以直接下载程序到单片机。因为系统工程庞大，所以选择设计了这块电路，方便通过USB口连接计算机上的串口调试软件进行调试系统，串口调试模块的电路如图11所示。

图11  串口调试电路图

6、报警指示电路设计

此部分电路是为了反映相应软硬件系统出现异常而增加的指示电路，其中蜂鸣器还用于提示相应触摸键的响应提示。红色LED用于指示系统电源的工作状况，双绿色与双黄色LED分别用于指示WiFi与GSM的工作状态，报警指示电路原理图如图3.12所示。

   图12  报警指示电路原理图

7、音频编解码电路模块

因为STM32F407自带两路I2S总线，即集成电路内置音频总线资源。因此本电路模块采用低功耗、高性能立体声多媒体数字信号编码器WM8978芯片，该芯片采用I2S接口与MCU进行连接完成音频解码以及驱动40mW耳机和8Ω/0.9W喇叭，减少了外部功放电路的使用。音频解码电路如图13所示。

图13  音频解码电路原理图

8、信号采集电路模块

温湿度传感器、水位传感器以及红外传感器等常用的环境监测模块构成了信号采集模块，其中，温湿度传感器在本系统中的作用是实现环境温湿度的检测，用于衡量天气情况以便对洗衣情况的掌握。考虑到精度、可靠性以及性价比，最终选择DHT11用于环境温湿度的检测。

DHT11输出的信号易于采集利用，并且板载电源满足DHT11传感器工作电压要求。对于本系统的研究要求DHT11传感器能够满足样机。温湿度传感器的电路原理图，如图14所示。

图14  温湿度采集电路图

1、智能终端系统主程序设计

智能终端主控采用MDK5.2 平台开发，采用的是uCOS-III操作系统，此系统占用资源多但是具有较高的实时性，总是执行最重要的就绪任务。软件系统中采用多个功能界面相结合的方式设计，这样便于使用者进行设备的操作。在系统的初始化中做了大量的优化，最终系统上电后大约经过2秒初始化后即可进入启动欢迎界面，其部分初始化启动代码如下：

在本终端系统内部开辟了多个主要的任务，开始任务在创建其他任务后就自动删除自身任务的执行，监测任务是用于不断监测执行要求不高但是需要实时监控的任务，从主任务进入系统的其他各个功能模块。系统程序入口及其开始任务代码如下：

为了提高GSM的实时性，将来电及短信监测放在监测任务中。系统的工作流程如图1所示。

                                                  图1 洗衣机智能终端系统流程图

2 智能终端系统洗衣机操控程序设计

洗衣机主控板采用mbed网页开发平台进行洗衣机主控板的需求配置，通过洗衣机主控板的串口资源连接WiFi模块，并进入进入透传模式进行数据传输。首先建立洗衣机操控界面，然后进入洗衣机操控任务。通过不断检测触摸屏键值得到响应洗衣机指令的下达，终端向洗衣机下达的操控指令是通过串口资源完成。向串口2发送协议数据，协议数据通过蓝牙无线发送给洗衣机设备端实现对洗衣机的近距离控制。同时，通过不断检测串口2，得到设备通过蓝牙传回的数据从而可以分析判断出洗衣机的工作状况。洗衣机操控任务程序设计如下：

演示视频地址：

http://www.iqiyi.com/w_19rvjtrxyd.html#vfrm=16-1-1-1

精心制作的PPT：详见附件