Computer Science and Application
Vol. 11  No. 11 ( 2021 ), Article ID: 46543 , 13 pages
10.12677/CSA.2021.1111274

基于物联网控制的智能电磁炉设计

覃剑1,邓元彪1,梁志新1,胡家绿1,张学军1,2*

1广西大学计算机与电子信息学院,广西 南宁

2广西多媒体通信与网络技术重点实验室(广西大学),广西 南宁

收稿日期:2021年10月12日;录用日期:2021年11月9日;发布日期:2021年11月18日

摘要

如今,人们对生活的品质要求随着科技的发展逐渐变得越来越高,而计算机控制技术与电子技术的迅猛发展,使得在物联网背景下的智能家居因其巨大的便利性和高效性深受人们的喜爱。本文设计了一种利用互联网控制电磁炉的方案。通过检测低电平信号全程监测按键状态,分析按键是否按下;利用电磁炉自带的温度传感器获取温度;通过采集电磁炉主控板中的锅具检测电路输出,判断锅具的有无;模拟按键按下时的低电平信号,向电磁炉主控板上的单片机输入一个与按键信号一致的低电平信号,模拟按键按下,达到控制电磁炉开/关、调节档位的目的,同时使用Arduino UNO对电磁炉状态进行检测和控制,并使用ESP8266用于Arduino UNO和服务器之间的通信。而服务器与客户端平台则使用Qt搭建,最终实现通过电脑/手机控制电磁炉,电磁炉状态能反馈到电脑/手机,实现信息交互。

关键词

物联网,电磁炉状态,控制电磁炉,服务器,客户端

Design of Intelligent Control of Induction Cooker Based on Internet of Things

Jian Qin1, Yuanbiao Deng1, Zhixin Liang1, Jialu Hu1, Xuejun Zhang1,2*

1School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning Guangxi

2Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology, Guangxi University, Nanning Guangxi

Received: Oct. 12th, 2021; accepted: Nov. 9th, 2021; published: Nov. 18th, 2021

ABSTRACT

Nowadays, people’s requirements for the quality of life gradually become higher and higher with the development of science and technology. With the rapid development of computer control technology and electronic technology, the smart home under the background of the Internet of things is deeply loved by people because of its great convenience and efficiency. This paper designs a scheme of using Internet to control induction cooker. Monitor the key state in the whole process by detecting the low-level signal, and analyze whether the key is pressed; Obtain the temperature by using the temperature sensor of the induction cooker; Judge the presence or absence of the cooker by collecting the output of the cooker detection circuit in the main control board of the induction cooker; Simulate the low-level signal when the key is pressed, input a low-level signal consistent with the key signal to the single chip microcomputer on the main control board of the induction cooker, simulate the key press, achieve the purpose of controlling the on/off and adjusting the gear of the induction cooker, use Arduino UNO to detect and control the state of the induction cooker, and use ESP8266 for the communication between Arduino UNO and the server. The server and client platforms are built using Qt. Finally, the induction cooker is controlled by computer/mobile phone, and the induction cooker status can be fed back to computer/mobile phone to realize information interaction.

Keywords:Internet of Things, Induction Cooker State, Control Induction Cooker, The Server, The Client

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

物联网这一概念最早是在美国的“智慧地球”下提出的一种服务架构 [1]。其包括三个核心:装置的智能化、联机以及通讯技术、设备的云端服务 [2]。随着信息科技的发展,人工智能的开发,便逐渐产生了智能家居,而在物联网技术的发展中,智能家居再次得到了发展 [3]。智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通讯技术将各种家用设施通过家庭网络连接到一起 [4]。能为人们提供更舒适、便捷的网络化、信息化与智能化的生活环境 [5]。最开始的时候,智能家居主要在日本和欧美一带兴起,其主要用于简单的灯光控制,而随着人们生活水平的提高,对生活品质的要求也越来越高,对家居设备的控制的便利性、高效性提出了更高的要求,在这种需求下,智能家居越来越受到人们的关注 [6]。智能家居系统包括主控设备、控制终端、各受控设备,可将所有的控制终端集成到一个系统中,采用电脑端、手机端实施对家居设备的现场或远程控制,实现更加便捷、灵活的管理家居设备的功能 [7]。其以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境 [8]。同时,基于物联网的智能家居,还有着远程控制、场景控制、定时控制、智慧联动以及安全防范等好处 [9]。人们可以通过基于物联网的智能家居打造一个安全、舒适、自动化、智能化的生活氛围 [10]。

从宏观角度看,目前智能家居在自动化的层面已经基本完成技术的积累,下一步的方向是与人工智能技术结合,从Home Automation向Smart Home的迈进,这是目前公认的方向,但是这个方向的发展对智能家居的普及更多的是锦上添花而非雪中送炭,也就是说,目前智能家居已经完全具备普及的条件 [11]。

电磁炉按使用场所分为民用电磁炉和商用电磁炉;按用途分为家用电磁炉、专业火锅电磁炉、自助餐厅保温炉、后厨煲汤炉、后厨炒炉;按功率分为电磁炉小功率电磁炉(800 W以下)、常用功率电磁炉(1000~2500 W)、大功率电磁炉(3~35 KW);按使用或安装方式分为嵌入(沉降)式电磁炉、台式电磁炉、落地式电磁炉 [12]。1972年,美国开始生产电磁炉,20世纪80年代初电磁炉在欧美及日本开始热销。本文的电磁炉采用普通家用电磁炉,使用220 V、50 Hz交流电供电,整体电路主要分为两个部分:控制面板以及主控板。主控板主要功能是控制和监视整个电磁炉的状态,包括锅具温度检测电路、风机驱动电路、电流取样电路、脉宽调整电路等主要电路 [13]。其利用涡流原理进行加热。220 V,50 Hz正弦交流电经过整流滤波转换成直流电,再经过振荡电路转换成上万Hz的交流电,高速变化的电流通过线圈盘,产生无数杂乱无章的小磁场,使得线圈盘上方放置的铁质锅具中的铁分子高速无规则运动,互相碰撞做功,动能转化为热能,从而实现加热 [14]。同时,电磁炉具有加热速度快、节能环保、安全性高、控温精准等优点 [15]。

如今,很多家庭都在使用电磁炉做饭、炒菜,因其无需明火、热转化率高、安全、节能环保等 [16] 优点,早已成为了大多数家庭里必不可少的一员。而智能电磁炉便属于智能家居中的一部分。人们可以通过电脑安装客户端,将电脑接入互联网后,与服务器进行交互,便可以对电磁炉进行远程控制 [17]。通过使用移动终端远程操控电磁炉提前做饭,可以极大的节约人们的时间。同时,当电磁炉工作在不正常的环境或电磁炉工作异常时,客户端能发出警报,防止家庭火灾等事故的出现。

2. 方法

2.1. 系统整体框架设计

本设计使用的开发板使用的是粤嵌科技的Gduino II开发板,该开发板基于Arduino UNO,同时带有ESP8266芯片。

Arduino是的一套开源硬件开发平台,Arduino UNO是其最为基础的开发板,开发极为简单,配合传感器、控制开关、LED屏等外围器件,任何稍有电子电路基础的人都可以基于这个平台快速搭建出具有各种有趣功能的实用电子电路。Arduino UNO是一款基于微控制器ATmega328P的开发板。ATmega328P是8位微处理器,片内包含32 KB Flash (0.5 KB由BootLoader使用),2 KB SRAM,1 KB EEPROM,运行时钟频率为16 MHz。该开发版拥有14个数字输入输出引脚和6个10位模拟输入引脚,并有6个数字输入输出引脚可以作为PWM输出引脚 [18]。

系统以日常生活使用的电磁炉为核心,在其之上添加外围采样电路、控制电路、通信模块,主要分为六个部分。分别是电磁炉、信号采集电路、控制电路、单片机及通信模块(ATemega328p与ESP8266)、服务器和客户端。

系统的设计总体框图如图1所示:

Figure 1. Overall system framework

图1. 系统整体框架

在该系统中,需要通过信号采集电路,采集电磁炉的各项数据,获取其工作状态,并通过单片机ATmega328p及通信模块ESP8266发送到服务器,再经服务器发送到客户端实时显示。在控制电磁炉工作时,可以通过客户端进行操作,客户端将用户操作发送给服务器,再由服务器将指令发送给单片机及通信模块,单片机再将控制信号发送给控制电路,控制电路执行控制操作,从而达到控制电磁炉的目的。

ATmega328p程序框图如图2所示:

Figure 2. Atmega328p program block diagram

图2. ATmega328p程序框图

ESP8266程序框图如图3所示:

Figure 3. ESP8266 program block diagram

图3. ESP8266程序框图

2.2. 电磁炉控制面板分析

本文使用的电磁炉的电路结构,分为主控板与控制面板部分,本文对控制面板进行分析与控制,达到控制电磁炉的目的,控制面板电路图4所示:

Figure 4. Control panel circuit

图4. 控制面板电路

图4所示的电路中的P1接口处:1号线为GND,2号线为Vcc,5V供电,3、4、5号线均为复用信号线,开关S1按下后,5号线的电平被拉低,控制电磁炉的开机与关机;开关S2按下后,4号线的电平被拉低,控制电磁炉的档位选择。当S1或者S2被按下后,3、4、5号线均由主控板上的单片机输出不同频率的PWM波控制LED灯的亮灭与否。电路中的电阻阻值均为非实测,仅仅起到代表作用;1、2、3、4、5号线均与主控板上的单片机相连。

2.3. 电磁炉控制方案

保留电磁炉主控板控制芯片,额外增加外围电路使用单片机进行采样、通信和模拟控制信号。该方案的优点在于,无需分析整个电磁炉的每一个电路功能和信号,只需要将任务所需的信