河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 ix1緒論1.1研究背景物近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)和人工智能迅速興起，智能家電逐漸在家庭中得到使用，冰箱作為家庭必備電器承擔(dān)食物儲(chǔ)存和保鮮功能，智能升級(jí)對(duì)提高生活質(zhì)量和食品安全尤為重要，傳統(tǒng)冰箱長(zhǎng)期使用后暴露出的缺陷逐漸為用戶和企業(yè)重視：溫度控制精度不足，各種食物無(wú)法達(dá)到最佳保存環(huán)境；遠(yuǎn)程監(jiān)控功能缺乏，運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)了解存在困難；食物腐敗產(chǎn)生的有害氣體無(wú)法迅速檢測(cè)，家庭健康存在威脅；能源管理效率低且浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)有存在，亟待技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對(duì)這些不足REF_Ref18073\r\h[1]。微控制器技術(shù)的逐步提高為智能冰箱設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ)，STM32系列微控制器高性能，低功耗，外設(shè)豐富且生態(tài)系統(tǒng)全面，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多選擇其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)REF_Ref18161\r\h[2]。STM32F103基于ARMCortex-M3內(nèi)核，72MHz主頻，多達(dá)16個(gè)定時(shí)器通道，通信接口豐富，ADC轉(zhuǎn)換精確，這些特征為智能冰箱多傳感器數(shù)據(jù)采集，溫度控制和通信功能提供了硬件需求，傳感設(shè)備像DHT11溫濕度傳感器，MQ-135氣體傳感器等結(jié)合多傳感器技術(shù)后，冰箱內(nèi)部環(huán)境可完成精確監(jiān)測(cè)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的普及使智能冰箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制變得可以實(shí)現(xiàn)，WiFi，藍(lán)牙和ZigBee等無(wú)線通信為冰箱接入家庭網(wǎng)絡(luò)提供方便，設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程控制，冰箱數(shù)據(jù)在云端存儲(chǔ)與處理時(shí)，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)顯示了重要性，對(duì)用戶使用習(xí)慣的分析推動(dòng)智能服務(wù)的提供，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)阿里云，華為云等提供接入管理與數(shù)據(jù)處理服務(wù)，設(shè)備開發(fā)的技術(shù)要求降低REF_Ref18347\r\h[3]。社會(huì)對(duì)食品安全問(wèn)題的愈加關(guān)注，使智能冰箱在保障食品安全中顯示重要性，依據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告，全球每年約6億人因不安全食品而患病，死亡達(dá)到42萬(wàn)人，中國(guó)食品工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示中國(guó)因食物儲(chǔ)存不當(dāng)每年浪費(fèi)約350億元食物。冰箱中集成氣體傳感器與紫外線消毒裝置等技術(shù)，能夠有效降低食物腐敗風(fēng)險(xiǎn)，食品安全水平也提高，精確溫度控制系統(tǒng)可為不同食物提供最佳儲(chǔ)存環(huán)境，食物保質(zhì)期延長(zhǎng)后，浪費(fèi)現(xiàn)象也減少。家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)需考量能源效率，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，家庭總用電量里冰箱耗電量占15%-20%，傳統(tǒng)冰箱固定周期制冷，內(nèi)部溫度變化時(shí)工作狀態(tài)無(wú)法靈活調(diào)節(jié)，造成能源浪費(fèi)。智能冰箱精確監(jiān)控溫度，智能控制算法可按需制冷，降低能耗，智能控制系統(tǒng)的冰箱比傳統(tǒng)冰箱節(jié)能15%-30%，年均可節(jié)約電費(fèi)100-300元，研究表明了智能冰箱的節(jié)能性REF_Ref18576\r\h[4]。智能家電的需求在消費(fèi)者中持續(xù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Counterpoint的數(shù)據(jù)顯示，2023年中國(guó)的智能家電市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到8500億元，年增長(zhǎng)率保持在20%以上，智能冰箱是智能家電的重要品類，市場(chǎng)滲透率從2018年僅5%迅速提升至2023年達(dá)到25%。遠(yuǎn)程監(jiān)控，精確溫控，食品安全保障和節(jié)能環(huán)保這四大因素，借助消費(fèi)者調(diào)研數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，是用戶選購(gòu)時(shí)最關(guān)注的點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的逐步完善與5G技術(shù)的普及使智能冰箱市場(chǎng)有望持續(xù)快速的增長(zhǎng)。國(guó)家政策層面為智能家電發(fā)展助力，《中國(guó)制造2025》中智能家電為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，工信部發(fā)布的《智能家居產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)（2021-2023年）》提出2023年智能家居產(chǎn)品銷售額達(dá)到5000億元，各地政府陸續(xù)出臺(tái)鼓勵(lì)智能家電研發(fā)推廣政策，上海市“智能制造專項(xiàng)資金”為智能家電企業(yè)提供研發(fā)補(bǔ)貼與市場(chǎng)推廣支持REF_Ref18690\r\h[5]。在這一背景的促使下，STM32智能冰箱系統(tǒng)研發(fā)意義顯得尤為重要，它包含理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本研究設(shè)計(jì)的智能冰箱集遠(yuǎn)程監(jiān)控，多區(qū)域溫控，氣體監(jiān)測(cè)和智能控制等多重要點(diǎn)，傳統(tǒng)冰箱存在的缺陷可借助這一設(shè)計(jì)解決?，F(xiàn)代家庭操作便捷性，食品安全性與節(jié)能環(huán)保的需求對(duì)這一設(shè)計(jì)提出要求，冰箱系統(tǒng)于研究中逐步完成多重要使用內(nèi)容設(shè)計(jì)REF_Ref18752\r\h[6]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外智能冰箱的學(xué)術(shù)研究與技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)成熟度也較高，美國(guó)、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的家電企業(yè)投入了大量研發(fā)資源在智能冰箱領(lǐng)域，三星FamilyHub系列與LGSmartThinQ系列冰箱可以代表高端產(chǎn)品，這些冰箱集成了攝像頭、語(yǔ)音控制和大尺寸觸摸屏等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)食物的識(shí)別、保質(zhì)期管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控REF_Ref18854\r\h[7]。智能冰箱在歐洲市場(chǎng)的研發(fā)，更偏重能效管理與食品新鮮度的保持技術(shù)，博世和西門子這些品牌推出的產(chǎn)品，精準(zhǔn)控溫與節(jié)能環(huán)保方面表現(xiàn)相當(dāng)突出，博世家電研發(fā)的智能冰箱使用多傳感器網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，能依據(jù)食材需求調(diào)整溫濕度環(huán)境并減少能源消耗REF_Ref18906\r\h[8]。美國(guó)GE公司與惠而浦公司把先進(jìn)技術(shù)融入冰箱控制系統(tǒng)，分析用戶使用習(xí)慣后達(dá)到制冷系統(tǒng)的智能管理。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出基于圖像識(shí)別的食品管理方案，對(duì)冰箱內(nèi)食品自動(dòng)識(shí)別并追蹤保質(zhì)期。松下公司日本在智能冰箱領(lǐng)域的研究，把重點(diǎn)放在了食品保鮮技術(shù)上，開發(fā)的“nanoeX”技術(shù)可抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，延長(zhǎng)食物保鮮時(shí)間，東京工業(yè)大學(xué)日本與松下合作開發(fā)的氣流控制技術(shù)，使冰箱內(nèi)部溫度分布更均勻。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來(lái)智能冰箱研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，海爾、美的和海信等企業(yè)都推出了自主研發(fā)的智能冰箱。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品更注重實(shí)用性與性價(jià)比，并且針對(duì)中國(guó)消費(fèi)者的使用習(xí)慣進(jìn)行本土化設(shè)計(jì)，與國(guó)外產(chǎn)品相比存在這些特征REF_Ref18978\r\h[9]。海爾集團(tuán)的“食聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略把RFID技術(shù)引入智能冰箱系統(tǒng)，食品識(shí)別與管理功能就實(shí)現(xiàn)，智慧冰箱能對(duì)食材狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，和電商平臺(tái)對(duì)接后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)充食材。美的智能冰箱可依據(jù)用戶習(xí)慣調(diào)節(jié)溫度，變頻壓縮機(jī)控制技術(shù)取得突破，能效比提高，噪音也變小，海信家電研發(fā)的“全空間保鮮”技術(shù)針對(duì)中國(guó)家庭飲食結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同類型食材合適的存儲(chǔ)環(huán)境它能提供。學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域中，智能冰箱的核心技術(shù)研究在多所高校和研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行，清華大學(xué)研究智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，為多溫區(qū)精確控制提供了技術(shù)支持。浙江大學(xué)低功耗控制算法方面的成果使智能冰箱能耗降低，中國(guó)家用電器研究院開發(fā)的食品新鮮度評(píng)估模型提高了食品安全監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，華南理工大學(xué)制冷系統(tǒng)優(yōu)化研究為智能冰箱節(jié)能環(huán)保提供了理論基礎(chǔ)。智能家電云平臺(tái)建設(shè)方面，我國(guó)企業(yè)也取得了相當(dāng)?shù)奶嵘?，阿里云、華為云等平臺(tái)為智能冰箱提供了云端支持，設(shè)備開發(fā)的技術(shù)門檻也降低，中國(guó)工程院專家團(tuán)隊(duì)正致力于構(gòu)建自主可控的智能家電生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)鏈整體水平也提升REF_Ref19040\r\h[10]。智能冰箱在智能家居領(lǐng)域的研究中，已成為方向性存在，未來(lái)將過(guò)渡為更智能、個(gè)性化和網(wǎng)絡(luò)化。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)與企業(yè)依據(jù)不同技術(shù)脈絡(luò)，各有偏重地進(jìn)行推動(dòng)，這些行為共同助力了這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展REF_Ref19089\r\h[11]。1.3研究主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容為基于STM32單片機(jī)的智能冰箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，前段內(nèi)容包含整體功能需求分析和方案設(shè)計(jì)，硬件電路部分包含ESP8266無(wú)線通信模塊，DHT11溫濕度傳感器，MQ-135有害氣體傳感器，OLED顯示模塊，按鍵模塊以及繼電器等執(zhí)行模塊，主控制器為STM32F103，各模塊的選擇以及具體電路設(shè)計(jì)過(guò)程逐步進(jìn)行描述。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐步完成單片機(jī)程序，無(wú)線通信程序，數(shù)據(jù)采集與處理算法，顯示控制程序以及手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)等方案，在系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化內(nèi)容中對(duì)各功能模塊進(jìn)行穩(wěn)定性與可靠性的驗(yàn)證，通過(guò)整體研究過(guò)程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款集有害氣體檢測(cè)，溫濕度監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制于一體的智能冰箱系統(tǒng)REF_Ref19151\r\h[12]。2系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)與方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)需求分析本智能冰箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代家庭對(duì)食品安全、便捷控制及節(jié)能環(huán)保的綜合需求進(jìn)行規(guī)劃。系統(tǒng)需滿足冷藏區(qū)、保鮮區(qū)、冷凍區(qū)三個(gè)獨(dú)立溫控區(qū)域的精確監(jiān)測(cè)與控制，各區(qū)域溫度控制精度分別要求達(dá)到±1℃、±0.5℃和±1℃，以適應(yīng)不同食材的最佳保存環(huán)境；同時(shí)需配置有害氣體檢測(cè)功能，當(dāng)氣體濃度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，并通過(guò)蜂鳴器本地提示和APP遠(yuǎn)程推送雙重方式通知用戶；在人機(jī)交互方面，系統(tǒng)需具備直觀的OLED顯示界面和簡(jiǎn)便的按鍵操作，顯示內(nèi)容包括實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)、氣體濃度及系統(tǒng)狀態(tài)信息，按鍵功能包括界面切換、參數(shù)設(shè)置和功能控制REF_Ref19203\r\h[13]；為滿足現(xiàn)代家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，系統(tǒng)需通過(guò)WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，用戶可通過(guò)手機(jī)APP隨時(shí)查看冰箱狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)傳輸成功率需達(dá)到99%以上，響應(yīng)時(shí)間控制在1秒內(nèi)；紫外線消毒功能既可自動(dòng)定時(shí)執(zhí)行，也可通過(guò)本地按鍵或遠(yuǎn)程APP手動(dòng)控制；同時(shí)，系統(tǒng)需具備良好的可靠性，在低溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，關(guān)鍵參數(shù)斷電保存，系統(tǒng)總功耗控制在合理范圍內(nèi)（不含制冷設(shè)備不超過(guò)5W），待機(jī)狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式REF_Ref19262\r\h[14]；此外，系統(tǒng)需具備一定的擴(kuò)展性，預(yù)留接口便于未來(lái)功能升級(jí)，軟件架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)以便于維護(hù)和更新?？傮w而言，系統(tǒng)需求旨在打造一款功能全面、操作簡(jiǎn)便、性能可靠的智能冰箱控制系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代家庭對(duì)智能家電的期望。2.2系統(tǒng)可行性分析2.2.1技術(shù)可行性從技術(shù)角度分析，本智能冰箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全可行。STM32F103單片機(jī)性能足以支持多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、多區(qū)域溫度控制、用戶交互和遠(yuǎn)程通信等功能。72MHz的主頻和20KBSRAM能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理能力的要求REF_Ref19304\r\h[15]。DHT11溫濕度傳感器在0℃~50℃范圍內(nèi)具有±2℃的測(cè)量精度，足以滿足冰箱溫度監(jiān)測(cè)需求。MQ-135氣體傳感器對(duì)多種有害氣體敏感，能夠有效檢測(cè)食物腐敗產(chǎn)生的氣體REF_Ref19373\r\h[16]。ESP8266WiFi模塊支持IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率達(dá)72.2Mbps，能夠保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳與命令及時(shí)接收。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)已相當(dāng)成熟，阿里云IoT平臺(tái)提供完整的設(shè)備連接、消息通信、規(guī)則引擎和設(shè)備管理服務(wù)，支持百萬(wàn)級(jí)設(shè)備接入，完全能夠滿足智能冰箱遠(yuǎn)程監(jiān)控需求REF_Ref19438\r\h[17]。OLED顯示與按鍵技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，為用戶提供直觀的本地交互界面。各項(xiàng)技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，組合應(yīng)用于智能冰箱系統(tǒng)不存在技術(shù)障礙REF_Ref19481\r\h[18]。2.2.2操作可行性在操作可行性方面，系統(tǒng)采用簡(jiǎn)潔直觀的用戶界面設(shè)計(jì)，通過(guò)OLED顯示和三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)本地控制，操作邏輯簡(jiǎn)單明了。用戶通過(guò)按鍵可以輕松切換界面、調(diào)整溫度閾值以及控制消毒功能，無(wú)需專業(yè)知識(shí)即可完成基本操作。遠(yuǎn)程控制通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)，用戶可隨時(shí)查看冰箱狀態(tài)、接收?qǐng)?bào)警信息并調(diào)整設(shè)置。APP界面設(shè)計(jì)符合用戶使用習(xí)慣，降低了學(xué)習(xí)成本。系統(tǒng)具備自動(dòng)化功能，如溫度超限自動(dòng)制冷、有害氣體超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警、定時(shí)消毒等，減少了用戶干預(yù)的需求。整體而言，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、直觀，適合各年齡段用戶使用，操作可行性高REF_Ref19526\r\h[19]。2.2.3應(yīng)用前景分析本智能冰箱系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。首先，作為家庭智能冰箱的控制系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)代家庭對(duì)食品安全、遠(yuǎn)程監(jiān)控和節(jié)能環(huán)保的需求。其次，在餐飲業(yè)、醫(yī)藥冷鏈和實(shí)驗(yàn)室樣本保存等專業(yè)領(lǐng)域，對(duì)溫度精確控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求更為迫切，系統(tǒng)可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整滿足這些專業(yè)需求。智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，智能冰箱作為智能家居的重要組成部分，市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。工信部數(shù)據(jù)顯示，2023年中國(guó)智能家居市場(chǎng)規(guī)模達(dá)8500億元，年增長(zhǎng)率超過(guò)20%。智能冰箱的市場(chǎng)滲透率從2018年的5%提升至2023年的25%，增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁。結(jié)合國(guó)家政策支持和消費(fèi)升級(jí)趨勢(shì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能冰箱具有良好的市場(chǎng)前景和商業(yè)價(jià)值，應(yīng)用可行性高REF_Ref19588\r\h[20]。2.3系統(tǒng)功能要求基于前述的系統(tǒng)可行性分析，并結(jié)合現(xiàn)代家庭對(duì)智能冰箱的實(shí)際需求，本系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能要求：1.多區(qū)域溫濕度控制與監(jiān)測(cè)。本智能冰箱系統(tǒng)需對(duì)冷藏區(qū)、保鮮區(qū)和冷凍區(qū)三個(gè)獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行精確溫濕度控制與監(jiān)測(cè)。每個(gè)區(qū)域配置DHT11溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)對(duì)各區(qū)域的溫度控制精度要求分別為：保鮮區(qū)±0.5℃、冷藏區(qū)±1℃、冷凍區(qū)±1℃，以滿足不同食材的最佳保存需求。2.空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用MQ-135氣體傳感器對(duì)冰箱內(nèi)部空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠檢測(cè)食物腐敗產(chǎn)生的有害氣體，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制并推送警告信息至用戶手機(jī)，確保食品安全。3.數(shù)據(jù)可視化與人機(jī)交互。系統(tǒng)配備OLED顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示各區(qū)域溫濕度數(shù)據(jù)、有害氣體濃度以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供直觀的信息反饋。同時(shí)，設(shè)置按鍵操作界面，用戶可通過(guò)按鍵切換顯示信息、調(diào)整溫度閾值以及控制輔助功能。4.遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。通過(guò)ESP8266WiFi模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看冰箱狀態(tài)，遠(yuǎn)程調(diào)整溫度設(shè)置，接收異常警報(bào)，實(shí)現(xiàn)智能家居物聯(lián)網(wǎng)控制，數(shù)據(jù)傳輸成功率需達(dá)到99%以上，響應(yīng)時(shí)間控制在1秒內(nèi)。5.智能控制與安全保障。系統(tǒng)具備自動(dòng)控制功能，當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，相應(yīng)區(qū)域制冷設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)到有害氣體濃度異常時(shí)，觸發(fā)報(bào)警并推送通知。系統(tǒng)還配備紫外線消毒燈，可定時(shí)或手動(dòng)開啟消毒功能，提高食品安全性。6.節(jié)能與可靠性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用智能控制算法優(yōu)化制冷設(shè)備運(yùn)行，降低能耗；同時(shí)具備掉電記憶功能，斷電后保存關(guān)鍵參數(shù)；系統(tǒng)設(shè)有自檢機(jī)制，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行?？傮w設(shè)計(jì)追求高可靠性、低功耗和操作便捷性，滿足現(xiàn)代家庭智能冰箱的使用需求。2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本智能冰箱系統(tǒng)采用STM32F103C8T6為核心的嵌入式控制方案，系統(tǒng)框架包含硬件，驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用部分，硬件部分包含STM32主控制器，傳感器，顯示，通信和執(zhí)行等模塊；驅(qū)動(dòng)部分完成各硬件模塊底層驅(qū)動(dòng)，對(duì)資源進(jìn)行調(diào)用與控制；應(yīng)用部分實(shí)現(xiàn)功能邏輯與交互界面。驅(qū)動(dòng)部分在調(diào)用時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，應(yīng)用部分的實(shí)現(xiàn)包含用戶邏輯，各模塊功能實(shí)現(xiàn)存在重疊與交互現(xiàn)象，模塊功能實(shí)現(xiàn)存在不完全的分層特征。TM32單片機(jī)借助GPIO接口讀取三個(gè)區(qū)域的DHT11傳感器溫濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)ADC接口采集MQ-135傳感器的有害氣體數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)顯示在OLED顯示屏，另一方面通過(guò)ESP8266WiFi模塊上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。溫度異常或有害氣體超標(biāo)時(shí)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，系統(tǒng)通過(guò)繼電器控制制冷設(shè)備自動(dòng)工作，用戶在本地可按鍵設(shè)置溫度閾值，手機(jī)APP能夠完成冰箱狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，各功能單元獨(dú)立性與整體系統(tǒng)穩(wěn)定性借助模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行確保?？傮w框圖2.1所示。圖2.1智能冰箱系統(tǒng)總體框圖2.5器件方案確定2.5.1主控模塊的選型方案一：STC12C5A60S2單片機(jī)屬于傳統(tǒng)8051架構(gòu)，開發(fā)生態(tài)較成熟且學(xué)習(xí)資料豐富，其內(nèi)部集成了60KBFlash程序存儲(chǔ)空間、1280字節(jié)RAM和8個(gè)10位ADC通道，頻率最高35MHz，價(jià)格低、功耗低、上手難度低，部分任務(wù)需求可借助這些優(yōu)勢(shì)完成。但運(yùn)算能力的受限性難以避免，外設(shè)接口也顯得單薄，復(fù)雜功能需求下應(yīng)對(duì)能力較弱，與傳統(tǒng)51單片機(jī)指令集完全兼容，這在代碼移植時(shí)難度較小，但陳舊架構(gòu)和擴(kuò)展性落后的特征較為明顯，創(chuàng)新性的需求難以完全借助它進(jìn)行表達(dá)和使用，結(jié)構(gòu)與功能存在較為明顯的不兼容現(xiàn)象。芯片實(shí)物圖如圖2.2所示。圖2.2STC12C5A60S2單片機(jī)實(shí)物圖方案二：STM32F103C8T6單片機(jī)以ARMCortex-M3為內(nèi)核，主頻能夠達(dá)到72MHz，具備64KBFlash與20KBSRAM，外設(shè)包含USART、SPI、I2C、USB、ADC等豐富內(nèi)容，在STM32中高性能和低功耗特征相當(dāng)明顯，DMA傳輸也支持，硬件乘法器與除法器可助力運(yùn)算速度提升。借助庫(kù)函數(shù)與開發(fā)工具能夠簡(jiǎn)化開發(fā)過(guò)程，單片機(jī)抗干擾能力不低，多種低功耗模式適合電池供電應(yīng)用，智能冰箱系統(tǒng)對(duì)計(jì)算能力與多任務(wù)處理能力要求偏高，STM32F103C8T6單片機(jī)可滿足復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與多模塊協(xié)調(diào)需求，能夠作為主控芯片進(jìn)行選擇。芯片實(shí)物圖如圖2.3所示。STC12C5A60S2和STM32F103C8T6的對(duì)比如表2-1所示。圖2.3STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)物圖本系統(tǒng)最終選擇STM32F103C8T6作為主控單片機(jī)。首先，智能冰箱系統(tǒng)需要同時(shí)處理多路傳感器數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜算法計(jì)算、顯示輸出和無(wú)線通信等任務(wù)，STM32F103C8T6的72MHz主頻和20KBSRAM能夠滿足這些復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時(shí)處理需求；其次，多種豐富的通信接口（UART、SPI、I2C）便于連接ESP8266無(wú)線模塊、OLED顯示屏和多種傳感器；此外，STM32的硬件PWM、DMA和硬件乘除法器可以明顯提高系統(tǒng)性能，降低CPU占用率。雖然成本略高于STC12C5A60S2，但考慮到系統(tǒng)的整體性能需求和長(zhǎng)期可靠性，STM32F103C8T6是更為合適的選擇。表2-1單片機(jī)選擇對(duì)比表性能指標(biāo)STC12C5A60S2STM32F103C8T6架構(gòu)傳統(tǒng)8051架構(gòu)ARMCortex-M3內(nèi)核主頻最高35MHz72MHzFlash容量60KB64KBRAM容量1280字節(jié)20KBADC通道8個(gè)10位多通道12位外設(shè)接口較少USART、SPI、I2C、USB、ADC等豐富接口特殊功能51指令集兼容DMA傳輸、硬件乘除法器功耗低低（多種低功耗模式）抗干擾能力一般較強(qiáng)開發(fā)生態(tài)成熟豐富擴(kuò)展性較差較好價(jià)格低中等適用場(chǎng)景簡(jiǎn)單應(yīng)用復(fù)雜多任務(wù)應(yīng)用2.5.2通信模塊的選型方案一：Air724UG無(wú)線通信模塊基于4G技術(shù)，全網(wǎng)通2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)都可支持，下行傳輸速率150Mbps，上行50Mbps。集成GPS與北斗定位功能，接口方式包含UART、USB、SPI等，網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量較高且保持在穩(wěn)定的范圍，覆蓋范圍也大，無(wú)線信號(hào)對(duì)通信距離限制不明顯。工作電流200mA-2A，功耗大，開發(fā)復(fù)雜性高，處理SIM卡通信協(xié)議為內(nèi)容，單模塊成本60-100元，價(jià)格高，小型化設(shè)計(jì)存在缺陷，體積較大，Air724UG實(shí)物圖如圖2.4所示。圖2.4Air724UG實(shí)物圖方案二：ESP8266芯片集成度較高，內(nèi)部包含TCP/IP協(xié)議棧并支持2.4GHzIEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，集成32位低功耗CPU且工作頻率可達(dá)到160MHz，F(xiàn)lash內(nèi)置為4MB，深度睡眠模式下電流消耗僅約20μA，體積小巧，集成簡(jiǎn)便，單模塊價(jià)格在10-20元，開發(fā)環(huán)境支持AT指令集和Arduino，通信距離有限，依賴WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，抗干擾能力也偏弱，智能冰箱主要應(yīng)用于家庭，WiFi普及率較高，對(duì)成本、體積和功耗有較高要求，ESP8266作為通信方案更為合適，ESP8266實(shí)物圖如圖2.5所示。Air724UG和ESP8266的對(duì)比如表2-2所示。圖2.5ESP8266實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇ESP8266作為無(wú)線通信模塊。首先，智能冰箱主要應(yīng)用于家庭環(huán)境，幾乎所有現(xiàn)代家庭都配備了WiFi網(wǎng)絡(luò)，ESP8266可以直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需額外的SIM卡和流量費(fèi)用；其次，ESP8266體積小巧（約25mm×15mm），便于集成到緊湊的控制系統(tǒng)中；第三，低功耗特性（正常工作約80mA，睡眠模式僅20μA）非常適合長(zhǎng)期運(yùn)行的智能家電應(yīng)用；最后，價(jià)格優(yōu)勢(shì)顯著（10-20元vs60-100元），大大降低了系統(tǒng)整體成本。雖然Air724UG在信號(hào)覆蓋和穩(wěn)定性方面略勝一籌，但考慮到應(yīng)用場(chǎng)景、功耗和成本因素，ESP8266更符合本系統(tǒng)的需求。表2-2通信模塊選型對(duì)比表性能指標(biāo)Air724UGESP8266通信技術(shù)4G(2G/3G/4G全網(wǎng)通)WiFi(IEEE802.11b/g/n)傳輸速率下行150Mbps，上行50Mbps72.2Mbps處理器-32位CPU，160MHz集成功能GPS與北斗定位TCP/IP協(xié)議棧Flash容量-4MB接口方式UART、USB、SPI等UART工作電流200mA-2A正常約80mA，睡眠模式20μA依賴條件SIM卡，蜂窩網(wǎng)絡(luò)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信距離遠(yuǎn)距離（蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍）有限（WiFi覆蓋范圍）抗干擾能力較強(qiáng)較弱體積較大小巧價(jià)格60-100元10-20元開發(fā)復(fù)雜度高低（支持AT指令集和Arduino）適用場(chǎng)景遠(yuǎn)距離、高可靠性通信家庭、室內(nèi)近距離通信2.5.3顯示模塊的選型方案一：OLED顯示屏自發(fā)光技術(shù)的分辨率為128x64像素，常見通信接口為單片機(jī)、SPI或I2C，對(duì)比度明顯達(dá)到10000:1，視角廣至170°，響應(yīng)速度快于10μs，模塊厚度約1.5mm，重量和體積小，便于嵌入緊湊設(shè)備，無(wú)需背光源，低溫(-40℃至85℃)下性能穩(wěn)定，顯示功耗為20-30mA，休眠模式功耗可低至<10μA，藍(lán)光元件對(duì)使用壽命存在影響，一般僅在10000-30000小時(shí)，成本高于傳統(tǒng)LCD，尺寸大時(shí)價(jià)格增加顯著，OLED顯示屏實(shí)物圖如圖2.6所示。圖2.6OLED實(shí)物圖方案二：LCD12864顯示模塊借助液晶技術(shù)，分辨率為128x64像素，單模塊成本約15元，耗材低廉且技術(shù)成熟，使用壽命>50000小時(shí)，優(yōu)勢(shì)愈加清晰。背光源是LCD12864的需要，功耗在80-120mA，對(duì)比度約10:1，視角約40°，厚度為7-10mm，低溫時(shí)響應(yīng)速度變慢且效果變差，背光源增加功耗，窄視角和較低對(duì)比度使使用效果下降，厚度增加產(chǎn)品體積，智能冰箱對(duì)顯示性能要求提升，OLED顯示模塊在用戶使用清晰度、響應(yīng)速度和低溫性能的提高，提供產(chǎn)品性能提升，LCD12864顯示模塊實(shí)物圖如圖2.7所示。LCD12864和OLED顯示屏對(duì)比如表2-3所示。圖2.7LCD12864實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇OLED顯示屏作為顯示模塊。選擇OLED的主要原因是：首先，智能冰箱工作環(huán)境溫度較低（0-10℃），OLED在低溫環(huán)境下（-40℃至85℃）仍能保持穩(wěn)定的顯示效果，而LCD12864在低溫下響應(yīng)速度變慢且顯示效果變差；其次，OLED超高對(duì)比度（10000:1）和寬視角（170°）能夠提供更清晰的顯示效果，便于用戶在不同角度查看冰箱狀態(tài)信息；第三，無(wú)需背光源的自發(fā)光特性和僅20-30mA的低功耗設(shè)計(jì)（相比LCD的80-120mA）非常適合長(zhǎng)期運(yùn)行的家電應(yīng)用；最后，OLED超薄設(shè)計(jì)（約1.5mmvsLCD的7-10mm）有利于設(shè)計(jì)緊湊美觀的控制面板。雖然OLED壽命略短于LCD，但考慮到智能冰箱的使用場(chǎng)景（間歇性查看，非連續(xù)顯示），OLED的壽命足以滿足產(chǎn)品使用周期要求。表2-3顯示模塊選型對(duì)比表性能指標(biāo)OLED顯示屏LCD12864顯示模塊顯示技術(shù)有機(jī)發(fā)光二極管液晶顯示分辨率128×64像素128×64像素對(duì)比度10000:1約10:1視角170°約40°響應(yīng)速度<10μs較慢（低溫更慢）通信接口SPI或I2C并行/SPI工作溫度-40℃至85℃0℃至50℃（低溫性能差）模塊厚度約1.5mm7-10mm背光源無(wú)需（自發(fā)光）需要功耗20-30mA，休眠<10μA80-120mA使用壽命10000-30000小時(shí)>50000小時(shí)價(jià)格較高約15元適用場(chǎng)景需要高對(duì)比度、廣視角、低溫環(huán)境一般環(huán)境、成本敏感應(yīng)用2.5.4溫濕度檢測(cè)模塊的選型方案一：DHT11溫濕度傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)，濕度測(cè)量范圍為20%-95%RH，精度存在±5%RH的范圍；溫度測(cè)量范圍在0℃-50℃，精度為±2℃，響應(yīng)時(shí)間約2-5秒，數(shù)據(jù)格式采用單總線形式，一根數(shù)據(jù)線即可完成通信，供電電壓為3.3V-5.5V，工作電流在1.5mA，休眠時(shí)的電流<10μA，單價(jià)保持在5-8元，具有成本低、易于使用的優(yōu)勢(shì)，但響應(yīng)速度與精度較為一般，低溫環(huán)境下性能下降，一般家用電器應(yīng)用場(chǎng)景中可使用，DHT11實(shí)物圖如圖2.8所示。圖2.8DHT11實(shí)物圖方案二：SHT31溫濕度傳感器采用CMOS工藝，可測(cè)量0%-100%RH的濕度范圍，精度為±2%RH，溫度測(cè)量范圍為-40℃-125℃，精度為±0.3℃，響應(yīng)時(shí)間小于1秒，通信接口為I2C，供電電壓范圍2.4V-5.5V，工作電流1.7mA，休眠電流小于0.5μA。單價(jià)約25-35元，具有高精度、快速響應(yīng)與寬溫度范圍的特點(diǎn)，同時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性也相當(dāng)不一般，適合高精度的專業(yè)需求設(shè)備，智能冰箱應(yīng)用場(chǎng)景中，溫度主要在0℃以上，考慮到成本因素，本設(shè)計(jì)選擇DHT11傳感器，可以滿足基本需求，同時(shí)具有良好的成本效益，SHT31實(shí)物圖如圖2.9所示。DHT11和SHT31對(duì)比如表2-4所示。圖2.9SHT31實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇DHT11作為溫濕度傳感器模塊。雖然SHT31在精度、響應(yīng)速度和測(cè)量范圍方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但綜合考慮本系統(tǒng)的實(shí)際需求和成本因素，DHT11更為合適。首先，智能冰箱的各區(qū)域溫度主要在0℃以上，完全在DHT11的工作范圍內(nèi)（0℃-50℃），滿足基本監(jiān)測(cè)需求；其次，冰箱內(nèi)溫度變化相對(duì)緩慢，DHT11的2-5秒響應(yīng)時(shí)間足以滿足監(jiān)測(cè)要求；第三，±2℃的溫度精度對(duì)于普通家庭冰箱的溫度控制已經(jīng)足夠，系統(tǒng)通過(guò)控制算法和反饋機(jī)制可以進(jìn)一步提高溫度控制精度；最后，DHT11的單總線通信簡(jiǎn)化了硬件連接，5-8元的低價(jià)格（相比SHT31的25-35元）大大降低了系統(tǒng)成本，特別是在需要使用多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)不同區(qū)域的場(chǎng)景下，成本優(yōu)勢(shì)更為明顯。表2-4溫濕度傳感器模塊對(duì)比表性能指標(biāo)DHT11SHT31工藝數(shù)字模塊采集CMOS工藝濕度測(cè)量范圍20%-95%RH0%-100%RH濕度測(cè)量精度±5%RH±2%RH溫度測(cè)量范圍0℃-50℃-40℃-125℃溫度測(cè)量精度±2℃±0.3℃響應(yīng)時(shí)間2-5秒<1秒通信接口單總線I2C供電電壓3.3V-5.5V2.4V-5.5V工作電流1.5mA1.7mA休眠電流<10μA<0.5μA長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般優(yōu)秀價(jià)格5-8元25-35元適用場(chǎng)景一般家用環(huán)境高精度專業(yè)需求2.5.5氣體檢測(cè)模塊的選型方案一：MQ-135氣體傳感器使用氧化錫半導(dǎo)體材料，對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸氣等多種有害氣體敏感，檢測(cè)濃度范圍在10-1000ppm，模塊包含預(yù)熱電路，供電電壓為5V，工作電流約150mA，穩(wěn)定讀數(shù)需要24-48小時(shí)的預(yù)熱時(shí)間，但日常使用時(shí)60秒預(yù)熱即可工作。輸出方式包含模擬電壓輸出和數(shù)字開關(guān)量輸出，價(jià)格約10-15元，此類傳感器具有檢測(cè)范圍廣、成本低廉這些特征，功耗偏較高，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)溫濕度也存在敏感性，定期校準(zhǔn)工作同樣也避免這些缺陷，MQ-135實(shí)物圖如圖2.10所示。圖2.10MQ-135實(shí)物圖方案二：CCS811氣體傳感器應(yīng)用MEMS技術(shù)，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)與等效二氧化碳(eCO2)濃度進(jìn)行檢測(cè)，VOCs檢測(cè)范圍為0-32768ppb，eCO2檢測(cè)范圍在400-8192ppm，借助I2C通信接口工作，供電電壓范圍是1.8V-3.6V，工作電流僅30mA，休眠電流<10μA，預(yù)熱時(shí)間需20分鐘。溫濕度補(bǔ)償處理借助內(nèi)置算法自動(dòng)完成，使讀數(shù)更為穩(wěn)定，價(jià)格約40-50元，體積小、功耗低、響應(yīng)快速是優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格偏貴且檢測(cè)氣體種類相對(duì)專一，智能冰箱應(yīng)用中同時(shí)考慮需求與成本因素后，MQ-135傳感器更合適，它可檢測(cè)多種食物腐敗產(chǎn)生的氣體，滿足基本需求，CCS811實(shí)物圖見2.11。MQ-135和CCS811對(duì)比如表2-5所示。圖2.11CCS811實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇MQ-135作為氣體傳感器模塊。選擇MQ-135的主要原因是：首先，冰箱內(nèi)可能存在多種有害氣體（如食物腐敗產(chǎn)生的氨氣、硫化物和多種VOCs），MQ-135對(duì)多種氣體都有較高靈敏度，能夠全面監(jiān)測(cè)冰箱內(nèi)部空氣質(zhì)量；其次，模擬輸出方式便于通過(guò)STM32的ADC接口采集數(shù)據(jù)，無(wú)需復(fù)雜的通信協(xié)議；第三，10-15元的價(jià)格優(yōu)勢(shì)（相比CCS811的40-50元）明顯降低了系統(tǒng)成本；最后，雖然MQ-135功耗較高（約150mA），但考慮到冰箱為持續(xù)供電設(shè)備，功耗并非關(guān)鍵考量因素。針對(duì)MQ-135預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用上電持續(xù)預(yù)熱60秒后再開始采集數(shù)據(jù)的方案，確保讀數(shù)準(zhǔn)確性。表2-5氣體傳感器模塊對(duì)比表性能指標(biāo)MQ-135CCS811檢測(cè)技術(shù)氧化錫半導(dǎo)體MEMS技術(shù)檢測(cè)對(duì)象氨氣、硫化物、苯系蒸氣等VOCs、eCO2檢測(cè)范圍10-1000ppmVOCs:0-32768ppb,eCO2:400-8192ppm輸出方式模擬電壓/數(shù)字開關(guān)量I2C數(shù)字信號(hào)供電電壓5V1.8V-3.6V工作電流約150mA約30mA休眠電流-<10μA預(yù)熱時(shí)間穩(wěn)定讀數(shù)24-48小時(shí)，日常使用60秒20分鐘溫濕度補(bǔ)償無(wú)（敏感）內(nèi)置算法自動(dòng)補(bǔ)償體積較大小型化價(jià)格10-15元40-50元適用場(chǎng)景多種有害氣體檢測(cè)專門VOCs/CO2監(jiān)測(cè)2.5.6執(zhí)行模塊的選型方案一：機(jī)械繼電器控制模塊依據(jù)傳統(tǒng)電磁控制原理進(jìn)行控制，可承載電流達(dá)到10A/250VAC，接觸電阻在100mΩ的量級(jí)下，它適合大功率負(fù)載的控制。驅(qū)動(dòng)電壓為5V，觸發(fā)電流在15-20mA的量級(jí)，響應(yīng)時(shí)間為5-10ms的級(jí)別，它存在完全電氣隔離特性，對(duì)各種負(fù)載類型都具有使用性。單價(jià)約在5-8元/路，可靠性高、控制簡(jiǎn)單、抗浪涌能力強(qiáng)這些優(yōu)勢(shì)特征同時(shí)并存，但體積較大，壽命為10萬(wàn)次開關(guān)級(jí)別，動(dòng)作時(shí)噪音產(chǎn)生，觸點(diǎn)燒蝕風(fēng)險(xiǎn)同樣存在，機(jī)械繼電器實(shí)物圖如圖2.12所示。圖2.12機(jī)械繼電器實(shí)物圖方案二：固態(tài)繼電器(SSR)模塊使用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)可承載5A/240VAC的電流，導(dǎo)通電阻約0.1Ω，驅(qū)動(dòng)電壓在3-5V，觸發(fā)電流僅5mA，響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)不足1ms，光耦隔離技術(shù)確保了安全。單價(jià)約15-25元/路，無(wú)噪音、體積小、壽命長(zhǎng)(>1000萬(wàn)次)、無(wú)觸點(diǎn)燒蝕問(wèn)題、可做PWM調(diào)速控制是其優(yōu)勢(shì)，但存在成本高、導(dǎo)通壓降大(約1V)產(chǎn)生熱量需散熱處理等缺點(diǎn)，智能冰箱系統(tǒng)需可靠地控制多個(gè)制冷設(shè)備區(qū)域，機(jī)械繼電器憑借高可靠性、簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)特性與成本優(yōu)勢(shì)成為較佳選擇，固態(tài)繼電器(SSR)模塊實(shí)物圖如圖2.13所示。機(jī)械繼電器控制模塊和固態(tài)繼電器(SSR)模塊對(duì)比如表2-6所示。圖2.13固態(tài)繼電器實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇機(jī)械繼電器作為執(zhí)行模塊。選擇機(jī)械繼電器的主要考量是：首先，冰箱制冷設(shè)備為大功率負(fù)載（通常為數(shù)百瓦），機(jī)械繼電器的10A/250VAC負(fù)載能力完全滿足控制需求；其次，冰箱制冷設(shè)備的開關(guān)頻率較低（通常幾小時(shí)才切換一次），機(jī)械繼電器10萬(wàn)次的壽命足以支持10年以上的使用；第三，完全電氣隔離特性提供了更高的安全性，有效隔離控制電路與高壓負(fù)載；最后，5-8元/路的低成本（相比固態(tài)繼電器的15-25元/路）使系統(tǒng)更具成本效益。雖然機(jī)械繼電器在體積和噪音方面略顯不足，但考慮到冰箱自身已有噪音，繼電器動(dòng)作噪音影響較小，而體積問(wèn)題可通過(guò)合理布局解決。表2-6執(zhí)行模塊對(duì)比表性能指標(biāo)機(jī)械繼電器固態(tài)繼電器(SSR)工作原理電磁控制半導(dǎo)體開關(guān)負(fù)載能力10A/250VAC5A/240VAC接觸電阻約100mΩ約0.1Ω驅(qū)動(dòng)電壓5V3-5V觸發(fā)電流15-20mA5mA響應(yīng)時(shí)間5-10ms<1ms隔離方式物理隔離光耦隔離壽命約10萬(wàn)次開關(guān)>1000萬(wàn)次噪音有無(wú)觸點(diǎn)燒蝕存在風(fēng)險(xiǎn)無(wú)導(dǎo)通壓降微小約1V（產(chǎn)生熱量）PWM調(diào)速不支持支持價(jià)格5-8元/路15-25元/路適用場(chǎng)景大功率負(fù)載、高可靠性需求高頻開關(guān)、無(wú)噪音需求2.5.7報(bào)警模塊的選型方案一：有源蜂鳴器模塊內(nèi)置振蕩電路，施加3-5V直流電壓即可發(fā)聲，工作電流約15mA，它在2.5KHz左右的固定頻率下生成約85dB/10cm的聲壓級(jí)。驅(qū)動(dòng)方式僅需一個(gè)GPIO口控制，成本約為3-5元，此類模塊的低功耗控制和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)是優(yōu)點(diǎn)，也存在缺陷，比如發(fā)聲頻率不可調(diào)節(jié)、功耗較高且蜂鳴聲單一等具體特征，有源蜂鳴器實(shí)物圖如圖2.14所示。圖2.14有源蜂鳴器實(shí)物圖方案二：無(wú)源蜂鳴器模塊要求外部提供特定頻率的方波信號(hào)發(fā)聲，工作電壓在3-5V，工作電流約5-10mA，頻率響應(yīng)范圍為1.5-2.5KHz，聲壓級(jí)可達(dá)到90dB/10cm，驅(qū)動(dòng)時(shí)需要PWM波形，單只模塊單價(jià)約2-4元。它能夠調(diào)節(jié)頻率，實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警音效，同時(shí)功耗也低，缺點(diǎn)是需要單片機(jī)生成PWM波形，對(duì)編程復(fù)雜性有增加，考慮到智能冰箱報(bào)警功能需要簡(jiǎn)單且直觀，使用有源蜂鳴器更為合適，它能夠提供明確的報(bào)警提示且邏輯控制更為簡(jiǎn)略，無(wú)源蜂鳴如圖2.15所示。圖2.15無(wú)源蜂鳴器實(shí)物圖本系統(tǒng)選擇有源蜂鳴器作為報(bào)警模塊。選擇有源蜂鳴器的主要原因是：首先，智能冰箱的報(bào)警功能主要是提醒用戶異常情況（如溫度過(guò)高或有害氣體濃度超標(biāo)），需要簡(jiǎn)單明確的警報(bào)音，有源蜂鳴器的固定頻率警報(bào)聲完全滿足這一需求；其次，有源蜂鳴器僅需一個(gè)GPIO控制，驅(qū)動(dòng)邏輯簡(jiǎn)單，只需輸出高電平即可發(fā)聲，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)復(fù)雜度；第三，雖然有源蜂鳴器工作電流略高（15mAvs5-10mA），但考慮到報(bào)警狀態(tài)為臨時(shí)狀態(tài)，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，功耗差異對(duì)系統(tǒng)整體影響很小。盡管無(wú)源蜂鳴器可以實(shí)現(xiàn)多種音效，但在本應(yīng)用場(chǎng)景中，簡(jiǎn)單明確的報(bào)警提示更為實(shí)用，有源蜂鳴器是更合適的選擇。有源蜂鳴器內(nèi)置振蕩電路，啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間更短，能夠確保在緊急情況下立即發(fā)出警報(bào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。在冰箱溫度異?；蚴澄锔瘮〉燃毙栌脩糇⒁獾那闆r下，這種即時(shí)響應(yīng)特性尤為重要，能有效防止食品安全問(wèn)題的發(fā)生。表2-7報(bào)警模塊對(duì)比表性能指標(biāo)有源蜂鳴器無(wú)源蜂鳴器工作原理內(nèi)置振蕩電路需外部提供方波工作電壓3-5V3-5V工作電流約15mA5-10mA發(fā)聲頻率固定（約2.5KHz）可調(diào)（1.5-2.5KHz）聲壓級(jí)約85dB/10cm約90dB/10cm驅(qū)動(dòng)方式單GPIO控制需PWM波形音效調(diào)節(jié)不可調(diào)可調(diào)節(jié)多種音效編程復(fù)雜度低較高價(jià)格3-5元2-4元適用場(chǎng)景簡(jiǎn)單明確的報(bào)警提示需多種音效的報(bào)警系統(tǒng)如表2-7所示。以上硬件模塊的選型對(duì)比顯示，本智能冰箱系統(tǒng)包含STM32F103C8T6單片機(jī)、ESP8266通信模塊、OLED顯示模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-135氣體傳感器、機(jī)械繼電器控制模塊與有源蜂鳴器報(bào)警模塊，這些模塊的選型考慮了功能需求、性能特點(diǎn)、成本效益及系統(tǒng)集成難度，構(gòu)成了一套性能可靠、操作簡(jiǎn)便的控制系統(tǒng)，各模塊在系統(tǒng)中具體功能與性能要求的詳細(xì)對(duì)比，可為智能冰箱控制的硬件構(gòu)成及操作邏輯的簡(jiǎn)化和強(qiáng)化提供形式和內(nèi)容的依據(jù)。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1主控模塊本系統(tǒng)中STM32F103C8T6采用ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz，內(nèi)置64KBFlash存儲(chǔ)器與20KBSRAM，通過(guò)LQFP48封裝引出37個(gè)GPIO口，滿足多外設(shè)連接需求，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包含復(fù)位電路，晶振電路和電源濾波電路的最小系統(tǒng)部分，復(fù)位電路使用10kΩ上拉電阻連接至VCC并結(jié)合0.1μF電容構(gòu)成RC延時(shí)電路結(jié)構(gòu)，確保單片機(jī)上電后可靠復(fù)位。晶振電路包含8MHz主晶振與32.768kHz副晶振，主晶振為系統(tǒng)時(shí)鐘使用，副晶振負(fù)責(zé)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，兩端并聯(lián)30pF陶瓷電容后，每個(gè)晶振的振蕩頻率穩(wěn)定性明顯增加，電源部分設(shè)計(jì)為多層濾波結(jié)構(gòu)，去耦電容100nF與鉭電容10μF的使用，使電源中紋波現(xiàn)象降低。引腳分配如表3-1所示。表3-1STM32F103C8T6單片機(jī)引腳分配表引腳編號(hào)引腳名稱連接模塊功能描述PA2UART2_TXESP8266WiFi模塊通信發(fā)送數(shù)據(jù)PA3UART2_RXESP8266WiFi模塊通信接收數(shù)據(jù)PA4ADCMQ-135氣體傳感器模擬輸入采集PA5GPIODHT11(1)冷藏區(qū)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)線PA6GPIODHT11(2)保鮮區(qū)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)線PA7GPIODHT11(3)冷凍區(qū)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)線PA11GPIO紫外線消毒燈消毒燈控制輸出PA15GPIO蜂鳴器報(bào)警蜂鳴器控制PB3GPIO按鍵1界面切換輸入PB4GPIO按鍵2溫度上限增加輸入PB5GPIO按鍵3溫度上限減少/消毒控制輸入PB8GPIO繼電器1保鮮區(qū)制冷控制PB9GPIO繼電器2冷藏區(qū)制冷控制續(xù)表3-1STM32F103C8T6單片機(jī)引腳分配表PB10GPIO繼電器3冷凍區(qū)制冷控制PB14I2C-SDAOLED顯示模塊數(shù)據(jù)線PB15I2C-SCLOLED顯示模塊時(shí)鐘線STM32的GPIO端口配置中，PA5，PA6和PA7與DHT11溫濕度傳感器連接，數(shù)據(jù)讀取采用單總線協(xié)議，MQ-135氣體傳感器的模擬輸出通過(guò)PA4連接，氣體濃度借助ADC實(shí)現(xiàn)采集。PB14與PB15配置為IIC接口，OLED顯示模塊通過(guò)IIC完成連接，UART2接口使用PA2和PA3進(jìn)行ESP8266通信。制冷繼電器控制端設(shè)在PB8，PB9和PB10三個(gè)引腳，紫外線消毒燈控制通過(guò)PA11完成，蜂鳴器報(bào)警電路連接在PA15。獨(dú)立按鍵輸入采用PB3，PB4和PB5接口實(shí)現(xiàn)連接，外部電源部分為5V輸入，XC6206穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為3.3V后為STM32及外設(shè)進(jìn)行供點(diǎn)，開發(fā)時(shí)單片機(jī)調(diào)試程序下載借助SWD接口，過(guò)程高效且迅速，STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況如圖3.1所示。圖3.1STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況3.2無(wú)線模塊ESP8266WiFi模塊在本系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程控制任務(wù)，使用ESP-12F封裝，內(nèi)置4MBFlash存儲(chǔ)器，提供11個(gè)可用GPIO口，硬件連接時(shí)，ESP8266的TXD和RXD引腳分別與STM32的PA3和PA2連接，構(gòu)成UART通信鏈路，VCC連接3.3V電源，GND接地，EN(使能)引腳通過(guò)1kΩ電阻上拉至VCC，模塊正常工作可確保，系統(tǒng)設(shè)計(jì)里添加復(fù)位按鍵，與ESP8266的RST引腳連接，調(diào)試時(shí)對(duì)WiFi模塊進(jìn)行硬件復(fù)位變得方便。引腳分配如表3-2所示。表3-2ESP8266WiFi模塊引腳分配表引腳名稱連接方式連接目標(biāo)功能描述VCC電源3.3V模塊供電GND電源GND模塊接地TXD數(shù)據(jù)STM32-PA3數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32RXD數(shù)據(jù)STM32-PA2數(shù)據(jù)接收自STM32EN控制3.3V(通過(guò)1kΩ上拉)使能引腳，保持模塊工作RST控制復(fù)位按鍵硬件復(fù)位控制通信協(xié)議設(shè)計(jì)使用透明傳輸模式，STM32借助AT指令對(duì)ESP8266工作狀態(tài)進(jìn)行控制，上電初始化時(shí)，單片機(jī)發(fā)送AT+RST指令重置WiFi模塊，通過(guò)AT+CWMODE=1指令設(shè)置為Station模式，連接預(yù)設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)采用AT+CWJAP指令，數(shù)據(jù)傳輸采用MQTT協(xié)議，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接通過(guò)AT+MQTTUSERCFG，AT+MQTTCONN等指令完成相關(guān)工作。溫濕度與氣體濃度數(shù)據(jù)封裝為JSON格式后，每1000ms通過(guò)AT+MQTTPUB指令上傳，系統(tǒng)包含掉電記憶功能，ESP8266的Flash存儲(chǔ)了WiFi連接參數(shù)，避免每次重啟重新配置。模塊在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)自動(dòng)進(jìn)入輕度睡眠模式，將功耗降低至約15mA，設(shè)計(jì)中對(duì)降低功耗的目標(biāo)進(jìn)行具體處理，此類功能設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸階段的電耗控制，ESP8266無(wú)線模塊如圖3.2所示。圖3.2ESP8266無(wú)線模塊3.3溫濕度檢測(cè)模塊DHT11溫濕度檢測(cè)模塊在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫濕度時(shí)為重要元件，測(cè)量范圍廣且精度適中，濕度范圍是20%-95%RH，溫度范圍是0°-50°C，濕度精度±5%RH，溫度精度±2°C，響應(yīng)僅2s，冷藏區(qū)，保鮮區(qū)與冷凍區(qū)的溫濕度監(jiān)測(cè)使用了三個(gè)DHT11傳感器。每個(gè)傳感器四個(gè)引腳，包含VCC，DATA，NC(不連接)，GND，VCC與3.3V電源連接，GND接地，DATA分別和STM32的PA5，PA6，PA7引腳連接傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線DATA與MCU之間增加1kΩ上拉電阻，通信信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定可靠就可確保。引腳分配如表3-3所示。表3-3DHT11溫濕度傳感器模塊引腳分配表引腳名稱連接方式連接目標(biāo)功能描述VCC電源3.3V傳感器供電DATA(1)數(shù)據(jù)STM32-PA5冷藏區(qū)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸DATA(2)數(shù)據(jù)STM32-PA6保鮮區(qū)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸DATA(3)數(shù)據(jù)STM32-PA7冷凍區(qū)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸NC未連接-不使用GND電源GND傳感器接地DHT11與單片機(jī)通信采用單總線協(xié)議，一幀數(shù)據(jù)為40位，具體為濕度的8位整數(shù)，8位小數(shù)，溫度的8位整數(shù)，8位小數(shù)和8位校驗(yàn)和，在通信時(shí)序設(shè)計(jì)中，MCU先發(fā)送起始信號(hào)，拉低電平至少18ms后釋放，DHT11響應(yīng)信號(hào)時(shí)先拉低電平80μs，之后拉高電平80μs，隨后傳感器進(jìn)行40位數(shù)據(jù)發(fā)送，代碼實(shí)現(xiàn)部分通過(guò)精確的時(shí)序控制和電平檢測(cè)完成數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)依據(jù)校驗(yàn)和驗(yàn)證有效性，系統(tǒng)為減少頻繁讀取對(duì)傳感器的損耗，每500ms采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，讀取過(guò)程中關(guān)閉中斷以確保時(shí)序精確，采集處理后的溫濕度數(shù)據(jù)在OLED屏幕上直觀顯示并上傳至云平臺(tái)記錄分析，DHT11溫濕度傳感模塊如圖3.3所示。圖3.3DHT11溫濕度傳感模塊3.4顯示模塊0.96英寸的OLED顯示模塊，分辨率128×64，為單色顯示屏，使用SSD1306控制芯片，和STM32單片機(jī)通過(guò)I2C接口通信，顯示模塊包含四個(gè)引腳，VCC連接3.3V電源，GND接地，SCL(時(shí)鐘線)與PB15連接，SDA(數(shù)據(jù)線)與PB14連接。I2C通信在標(biāo)準(zhǔn)模式下進(jìn)行，速率設(shè)置為400kHz，顯示刷新的流暢性通過(guò)優(yōu)化確保，顯示驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)，線，矩形，字符，漢字等基本圖形元素的繪制功能，位操作技術(shù)對(duì)顯示效率進(jìn)行優(yōu)化處理。引腳分配如表3-4所示。表3-4OLED顯示模塊引腳分配表引腳名稱連接方式連接目標(biāo)功能描述VCC電源3.3V顯示模塊供電GND電源GND顯示模塊接地SCL數(shù)據(jù)STM32-PB15I2C時(shí)鐘線SDA數(shù)據(jù)STM32-PB14I2C數(shù)據(jù)線OLED顯示界面設(shè)計(jì)為四個(gè)頁(yè)面，切換操作通過(guò)按鍵完成，第一頁(yè)顯示三個(gè)區(qū)域的實(shí)時(shí)溫濕度與有害氣體濃度；第二至第四頁(yè)分別用于設(shè)置保鮮區(qū)，冷藏區(qū)和冷凍區(qū)的溫度閾值。界面布局采用分區(qū)形式，頂部區(qū)域名稱靜態(tài)顯示，中部區(qū)域用于數(shù)值更新，底部區(qū)域輸出狀態(tài)信息與提示，字體設(shè)計(jì)包含6×8像素小字體和8×16像素大字體，顯示清晰度受到確保。系統(tǒng)通過(guò)局部刷新技術(shù)更新變化區(qū)域，刷新頻率明顯減少，功耗也實(shí)現(xiàn)了降低，驅(qū)動(dòng)功能中還增加屏幕保護(hù)模式，30秒無(wú)操作時(shí)亮度自動(dòng)降低，2分鐘無(wú)操作后進(jìn)入休眠，任意按鍵可喚醒屏幕，OLED顯示模塊如圖3.4所示。圖3.4OLED顯示模塊3.5有害氣體檢測(cè)模塊MQ-135有害氣體檢測(cè)模塊對(duì)冰箱內(nèi)部空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可檢測(cè)NH3，NOx，酒精，苯，二氧化碳等有害氣體，模塊四個(gè)引腳中VCC連接5V電源，GND接地，DO未使用，AO連接STM32的PA4引腳，借助ADC采集氣體濃度值。傳感器內(nèi)部集成加熱電路，預(yù)熱60秒后進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將氣體濃度歸一化處理為0-100范圍數(shù)值，便于顯示與判斷。檢測(cè)值超過(guò)40時(shí)，系統(tǒng)判定有害氣體濃度存在異常并觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，氣體檢測(cè)采樣頻率為500ms一次，與溫濕度檢測(cè)同步，確保數(shù)據(jù)時(shí)效性，MQ-135有害氣體傳感器模塊如圖3.5所示。引腳分配如表3-5所示。表3-5MQ-135氣體傳感器模塊引腳分配表引腳名稱連接方式連接目標(biāo)功能描述VCC電源5V傳感器供電GND電源GND傳感器接地AO數(shù)據(jù)STM32-PA4模擬輸出，氣體濃度值DO未使用-數(shù)字輸出，未在此系統(tǒng)中使用圖3.5MQ-135有害氣體傳感器模塊3.6按鍵模塊按鍵模塊在系統(tǒng)中是人機(jī)交互的主要接口，三個(gè)獨(dú)立按鍵分別完成界面切換，溫度閾值調(diào)整與功能控制，這些按鍵連接至STM32的PB3，PB4和PB5引腳，一端接GPIO，另一端接地，同時(shí)GPIO通過(guò)10kΩ電阻上拉到3.3V，形成下拉有效的輸入電路形式，抖動(dòng)現(xiàn)象是按鍵操作中常見現(xiàn)象，它對(duì)系統(tǒng)功能的不確認(rèn)性存在不良行為，為應(yīng)對(duì)抖動(dòng)，系統(tǒng)在邏輯中采用軟件消抖處理，按鍵檢測(cè)狀態(tài)后延時(shí)20ms再次進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，通過(guò)檢測(cè)按鍵狀態(tài)穩(wěn)定之后，才執(zhí)行相應(yīng)操作，技術(shù)的處理使系統(tǒng)輸入保持穩(wěn)定狀態(tài)。引腳分配如表3-6所示。表3-6按鍵模塊引腳分配表按鍵編號(hào)連接引腳功能描述按鍵1STM32-PB3界面切換按鍵2STM32-PB4界面1-3:增加各區(qū)域溫度上限按鍵3STM32-PB5界面0:控制消毒燈；界面1-3:減少各區(qū)域溫度上限按鍵功能定義為：按鍵1(PB3)實(shí)現(xiàn)界面切換功能，每觸發(fā)一次就切換到下個(gè)界面，總共有4個(gè)界面，按鍵2(PB4)在不同界面中功能不同，在界面1，2，3分別提高保鮮區(qū)，冷藏區(qū)和冷凍區(qū)的溫度上限值。按鍵3(PB5)于界面0控制紫外線消毒燈開關(guān)，在界面1，2，3分別降低保鮮區(qū)，冷藏區(qū)和冷凍區(qū)的溫度上限值，系統(tǒng)采用輪詢方式檢測(cè)按鍵，主循環(huán)每10ms掃描一次按鍵狀態(tài)，檢測(cè)到事件后立即處理以確保響應(yīng)及時(shí)，另外設(shè)置長(zhǎng)按功能，持續(xù)按超過(guò)1.5秒觸發(fā)快速增減功能，溫度閾值按每秒5個(gè)單位的速度變化，這提升了設(shè)置效率，按鍵模塊如圖3.6所示。圖3.6按鍵模塊3.7執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊在系統(tǒng)控制功能的輸出端，包含制冷，消毒和報(bào)警控制等部分，三個(gè)5V繼電器對(duì)保鮮區(qū)，冷藏區(qū)與冷凍區(qū)的制冷設(shè)備分別進(jìn)行控制。NPN三極管基極借助1kΩ電阻限流，集電極和繼電器控制端相連，發(fā)射極接地，三極管控制端與STM32的PB8，PB9，PB10引腳相連，每個(gè)繼電器線圈并聯(lián)續(xù)流二極管，斷開時(shí)吸收反向電動(dòng)勢(shì)，單片機(jī)端口就避免了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，區(qū)域溫度超過(guò)設(shè)定值，相應(yīng)繼電器閉合制冷啟動(dòng)；溫度降低后，繼電器斷開，制冷停止，制冷邏輯就存在這些部分中。引腳分配如表3-7所示。表3-7執(zhí)行模塊引腳分配表執(zhí)行設(shè)備連接引腳功能描述繼電器1STM32-PB8保鮮區(qū)制冷控制繼電器2STM32-PB9冷藏區(qū)制冷控制繼電器3STM32-PB10冷凍區(qū)制冷控制紫外線消毒燈STM32-PA11冰箱內(nèi)部消毒控制蜂鳴器STM32-PA15異常情況報(bào)警提示N溝道MOSFET與STM32的PA11引腳相連，柵極通過(guò)10kΩ電阻下拉至地，源極接地，漏極借助限流電阻連接紫外燈，完成紫外線燈消毒控制，驅(qū)動(dòng)電路中采用光耦隔離設(shè)計(jì)，安全性在系統(tǒng)中明顯增強(qiáng)。按鍵或遠(yuǎn)程APP可控制消毒功能，且每24小時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)30分鐘消毒為工作模式，報(bào)警部分使用5V有源蜂鳴器，它連接至STM32的PA15引腳，通過(guò)NPN三極管連接，溫度閾值超出或有害氣體濃度異常時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，用戶處理受到提示，執(zhí)行模塊如圖3.7所示。圖3.7執(zhí)行模塊工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1開發(fā)環(huán)境介紹Keil5在本設(shè)計(jì)中為編程軟件的不二選擇，功能強(qiáng)大且界面直觀，嵌入式開發(fā)的開發(fā)者對(duì)它有相當(dāng)?shù)臍g迎，51單片機(jī)，STM32，HC32，NXP等芯片的開發(fā)過(guò)程同樣受到支持，軟件生成HEX文件之后直接燒錄到單片機(jī)也能夠完成，其編譯模式包含單編譯，部分編譯和全部編譯三種，可為開發(fā)者提供更多使用形式，編譯過(guò)程的輸出結(jié)果于最下部分界面顯示，查找錯(cuò)誤內(nèi)容能夠便于進(jìn)行。Keil5內(nèi)部集成了調(diào)試器，可支持硬件在線調(diào)試與仿真，開發(fā)效率明顯提高，軟件提供的內(nèi)容包含MDK-ARM開發(fā)，STM32標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)為STM32單片機(jī)開發(fā)提供API函數(shù)，示例代碼也相當(dāng)豐富，Keil5提供代碼自動(dòng)完成，語(yǔ)法高亮等功能，編程體驗(yàn)提升，操作對(duì)比其他開發(fā)環(huán)境更加簡(jiǎn)單快捷，這使它在本設(shè)計(jì)中可稱是開發(fā)工具的理想之選，Keil_5軟件界面圖見4.1。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)1.主程序流程設(shè)計(jì)：系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，系統(tǒng)主程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含初始化階段和主循環(huán)部分，初始化部分完成HAL庫(kù)，系統(tǒng)時(shí)鐘，GPIO，定時(shí)器，ADC，UART，OLED，DHT11與ESP8266的初始化工作。主循環(huán)調(diào)用五個(gè)功能函數(shù)進(jìn)行運(yùn)行，按鍵函數(shù)處理用戶輸入內(nèi)容，監(jiān)測(cè)函數(shù)每500ms讀取傳感器數(shù)據(jù)，顯示函數(shù)更新OLED屏幕內(nèi)容，處理函數(shù)依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制設(shè)備運(yùn)行，WIFI函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)并接收命令，程序使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式，標(biāo)志位管理各功能模塊的運(yùn)行狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其部分主程序源碼如下所示：intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM1_Init();MX_TIM2_Init();MX_ADC1_Init();MX_TIM3_Init();MX_TIM4_Init();MX_USART2_UART_Init();HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);HAL_UART_Receive_IT(&Huart_wifi,&uartwifi_value,1);OLED_Init(); //初始化OLED_Clear(); //清屏DHT11_GPIO_Init1();//DHT11初始化 ESP8266_init(); //WiFi初始化while(1)（部分代碼省略）……} }圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖2.按鍵模塊流程設(shè)計(jì)：按鍵程序流程圖見4.3所示，在程序中，先進(jìn)行按鍵掃描，不同按鍵按下進(jìn)行相關(guān)操作。如果按鍵1被按下，切換界面。如果按鍵2被按下，界面1，設(shè)置保鮮區(qū)溫度上限+1；界面2，設(shè)置冷藏區(qū)溫度上限+1；界面3，設(shè)置冷凍區(qū)溫度上限+1。如果按鍵3被按下，界面0，開關(guān)消毒；界面1，設(shè)置保鮮區(qū)溫度上限-1；界面2，設(shè)置冷藏區(qū)溫度上限-1；界面3，設(shè)置冷凍區(qū)溫度上限-1。其部分程序源碼如下所示：voidKey_function(void){ key_num=Chiclet_Keyboard_Scan(); //按鍵掃描 if(key_num!=0) //有按鍵按下 { switch(key_num) { case1: //按鍵1，切換頁(yè)面flag_display++; if(flag_display>=4) //一共4個(gè)界面 flag_display=0;OLED_Clear(); //按一下，清屏一次 break;（部分代碼省略）…… }}}圖4.3按鍵程序流程圖4.顯示模塊流程設(shè)計(jì)顯示程序流程圖見4.4所示，顯示子程序用于OLED屏幕內(nèi)容的更新與管理，顯示標(biāo)志位值的不同時(shí)，頁(yè)面內(nèi)容也存在變化，頁(yè)面0顯示三個(gè)區(qū)域?qū)崟r(shí)溫濕度值與有害氣體濃度，頁(yè)面1，2，3分別設(shè)置三個(gè)區(qū)域溫度閾值。底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)繪制文字，數(shù)字與圖形元素，顯示函數(shù)負(fù)責(zé)調(diào)用，程序構(gòu)建直觀用戶界面完成操作，為降低刷新頻率與功耗采用局部刷新機(jī)制，僅更新變化內(nèi)容，按鍵功能與顯示子程序緊密結(jié)合，交互體驗(yàn)變得用戶友好的，且實(shí)現(xiàn)操作直觀性與簡(jiǎn)便性。其部分程序源碼如下所示：voidDisplay_function(void){ switch(flag_display) //根據(jù)不同的顯示模式標(biāo)志位，顯示不同界面 { case0: Oled_ShowCHinese(0,0,(uint8_t*)"保鮮"); Oled_ShowString(32,0,":"); OLED_Show_Temp(40,0,temp);OLED_Show_Humi(96,0,humi); Oled_ShowCHinese(0,2,(uint8_t*)"冷藏"); Oled_ShowString(32,2,":"); OLED_Show_Temp(40,2,temp1);OLED_Show_Humi(96,2,humi1); Oled_ShowCHinese(0,4,(uint8_t*)"冷凍"); Oled_ShowString(32,4,":"); OLED_Show_Temp(40,4,temp2);OLED_Show_Humi(96,4,humi2); Oled_ShowCHinese(0,6,(uint8_t*)"有害氣體"); Oled_ShowString(64,6,":"); OLED_ShowNum(72,6,gq,3); break;（部分代碼省略）…… }}}圖4.4顯示函數(shù)子程序流程圖4.處理函數(shù)流程設(shè)計(jì)處理函數(shù)流程圖如圖4.5所示，在處理函數(shù)中，當(dāng)有害氣體超過(guò)40，或檢測(cè)3個(gè)溫度超過(guò)閾值，則蜂鳴器報(bào)警且進(jìn)行制冷，否則關(guān)閉報(bào)警和制冷。其部分程序源碼如下所示：voidManage_function(void){ if(gq>=40||temp>=temp_max3||temp1>=temp_max1||temp2>=temp_max2) beep_flag=1; else beep_flag=0; if(temp>=temp_max3) fs_flag=1; else fs_flag=0;（部分代碼省略）……}}圖4.5處理函數(shù)流程圖4.3云平臺(tái)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用阿里云作為本系統(tǒng)的云平臺(tái)部分，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是阿里云提供的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)，重點(diǎn)解決設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用開發(fā)需求。該平臺(tái)支持多種通信協(xié)議（包括MQTT、CoAP和HTTP），兼容不同設(shè)備類型，可承載大規(guī)模設(shè)備接入，具備低延遲通信能力。在設(shè)備管理方面，提供全生命周期管理功能，支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)（OTA）、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及故障預(yù)警，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)密鑰更新和加密傳輸確保安全性。平臺(tái)集成時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)（TSDB）存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過(guò)規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定向轉(zhuǎn)發(fā)，支持與大數(shù)據(jù)分析、人工智能服務(wù)協(xié)同處理，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析與應(yīng)用決策。針對(duì)邊緣場(chǎng)景，平臺(tái)支持本地計(jì)算功能，降低云端依賴并提升響應(yīng)速度。目前已在工業(yè)制造、智能家居、智慧交通等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，通過(guò)設(shè)備協(xié)同管理、數(shù)據(jù)分析完善業(yè)務(wù)流程，為資源調(diào)度效率和運(yùn)維成本控制提供技術(shù)支持。該平臺(tái)構(gòu)建了可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。阿里云平臺(tái)如圖4.4所示圖4.4云平臺(tái)界面圖點(diǎn)擊產(chǎn)品，然后進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)，點(diǎn)擊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，就可以進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的建立界面，建立的自己的項(xiàng)目。如圖4.5所示為系統(tǒng)的進(jìn)入界面；圖4.5阿里云平臺(tái)入口界面阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（飛燕平臺(tái)）是阿里巴巴集團(tuán)推出的企業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，依托阿里云基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建了覆蓋設(shè)備接入、數(shù)據(jù)管理、智能分析到應(yīng)用開發(fā)的全棧服務(wù)體系。平臺(tái)支持MQTT協(xié)議接入，提供跨平臺(tái)SDK（涵蓋Linux/Android/RTOS等系統(tǒng)），日均處理百億級(jí)API調(diào)用，具備億級(jí)設(shè)備并發(fā)接入能力，本系統(tǒng)就是使用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。在項(xiàng)目中新建產(chǎn)品，名字為基于STM32的智能冰箱設(shè)計(jì)，選擇"蜂窩聯(lián)網(wǎng)"方式，刪除默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)功能，添加自定義功能，采用TSL物模型定義JSON格式參數(shù)，項(xiàng)目建立之后界面如圖4.7所示，然后導(dǎo)入具體的參數(shù)，參數(shù)導(dǎo)入之后界面如圖4.8所示：圖4.7新建項(xiàng)目界面圖圖4.8導(dǎo)入系統(tǒng)參數(shù)后界面圖生成設(shè)備三元組（ProductKey/DeviceName/DeviceSecret），選擇已認(rèn)證硬件模組（如ESP8266/EMW3080），通過(guò)MQTT協(xié)議完成設(shè)備激活，激活之后系統(tǒng)項(xiàng)目如下所示，可以在云平臺(tái)上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)。如圖4.9所示圖4.9云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示界面基于阿里云飛燕平臺(tái)的APP設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)流程整合如下：采用飛燕平臺(tái)提供的云智能公版APP模板，通過(guò)拖拽式控件布局自定義設(shè)備控制面板UI，實(shí)現(xiàn)功能標(biāo)識(shí)符與TSL物模型參數(shù)的動(dòng)態(tài)綁定。設(shè)備端通過(guò)AT指令配置設(shè)備五元組，基于MQTT協(xié)議向主題上報(bào)JSON格式數(shù)據(jù)（可以支持三種配網(wǎng)模式：二維碼配網(wǎng)（生成含設(shè)備三元組的動(dòng)態(tài)二維碼）、WiFi一鍵配網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)配網(wǎng)。如圖4.10為系統(tǒng)的APP設(shè)計(jì)界面，同時(shí)本系統(tǒng)采用的配網(wǎng)方式三元組的動(dòng)態(tài)二維碼的方式進(jìn)行配網(wǎng)。圖4.10App界面5系統(tǒng)的測(cè)試5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)軟硬件調(diào)試過(guò)程采用逐模塊測(cè)試與整體聯(lián)調(diào)相結(jié)合的處理，電源模塊測(cè)試首先進(jìn)行，STM32最小系統(tǒng)測(cè)試中驗(yàn)證單片機(jī)正常工作，傳感器模塊測(cè)試確認(rèn)數(shù)據(jù)采集正確性后，執(zhí)行模塊測(cè)試對(duì)繼電器，消毒燈和蜂鳴器的受控性完成驗(yàn)證，示波器檢測(cè)關(guān)鍵信號(hào)并確認(rèn)時(shí)序符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)一并完成，軟件調(diào)試分為底層驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層兩部分，底層驅(qū)動(dòng)測(cè)試對(duì)GPIO配置，ADC采樣，IIC通信和串口通信等功能模塊的正常性進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)用層測(cè)試隨后對(duì)溫濕度采集，氣體濃度檢測(cè)，OLED顯示，按鍵響應(yīng)和制冷控制等模塊確保了正常工作。系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)階段逐步處理了多個(gè)發(fā)現(xiàn)的缺陷，DHT11溫濕度傳感器在低溫環(huán)境下響應(yīng)變慢問(wèn)題部分通過(guò)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集超時(shí)時(shí)間應(yīng)對(duì)，ESP8266模塊在不穩(wěn)定情況下斷連現(xiàn)象反復(fù)，重連機(jī)制與掉電記憶功能對(duì)功能實(shí)現(xiàn)尤為重要。MQ-135氣體傳感器預(yù)熱不足時(shí)顯著數(shù)據(jù)漂移問(wèn)題借助延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)與校準(zhǔn)算法優(yōu)化處理，按鍵抖動(dòng)誤操作現(xiàn)象同樣反復(fù)，消抖算法的優(yōu)化顯示設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，OLED刷新頻率過(guò)高增加功耗，局部刷新機(jī)制優(yōu)化降低功耗，系統(tǒng)優(yōu)化和測(cè)試后各功能模塊穩(wěn)定且可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。5.2實(shí)物展示系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試在模擬冰箱環(huán)境下進(jìn)行，功能運(yùn)行全部正常，實(shí)測(cè)保鮮區(qū)溫度控制精度達(dá)到±0.5℃，冷藏和冷凍區(qū)溫度控制精度為±1℃，不同食物保存需求可以滿足。氣體檢測(cè)對(duì)異常情況響應(yīng)靈敏且迅速，無(wú)線通信數(shù)據(jù)上傳成功率超過(guò)99%，遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時(shí)間小于1秒，通信性能保持穩(wěn)定，OLED顯示內(nèi)容直觀清晰，按鍵操作流暢無(wú)阻，用戶使用時(shí)可快速讀數(shù)與操作。紫外線消毒有效，蜂鳴器報(bào)警響亮，低溫環(huán)境工作下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行無(wú)異常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能完善可靠，設(shè)計(jì)目標(biāo)完全達(dá)到，實(shí)物圖如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖實(shí)測(cè)保鮮區(qū)溫度控制精度達(dá)到±0.5℃，冷藏和冷凍區(qū)溫度控制精度為±1℃，滿足不同食物保存需求。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度波動(dòng)小，控制響應(yīng)迅速。三個(gè)區(qū)域可通過(guò)按鍵和APP分別設(shè)置溫度閾值，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化控制。在測(cè)試中，當(dāng)環(huán)境溫度提高時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)啟動(dòng)制冷設(shè)備，將溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)，展現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，實(shí)物圖如圖5.2所示。圖5.2溫度檢測(cè)功能MQ-135氣體傳感器對(duì)異常情況響應(yīng)靈敏且迅速，能夠準(zhǔn)確捕捉食物腐敗產(chǎn)生的微量氣體。系統(tǒng)將檢測(cè)到的氣體濃度數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在OLED屏幕上，并設(shè)置了40的報(bào)警閾值。在模擬測(cè)試中，當(dāng)向傳感器周圍噴灑少量乙醇時(shí)，系統(tǒng)立即檢測(cè)到氣體濃度升高，蜂鳴器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)2秒，同時(shí)通過(guò)ESP8266模塊向用戶手機(jī)推送警報(bào)信息，實(shí)物圖如圖5.3所示。圖5.3氣體檢測(cè)功能展示ESP8266模塊將采集的溫濕度和氣體數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，上傳成功率超過(guò)99%。遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時(shí)間小于1秒，通信性能保持穩(wěn)定。用戶通過(guò)手機(jī)APP可隨時(shí)查看各區(qū)域?qū)崟r(shí)狀態(tài)，并能夠遠(yuǎn)程調(diào)整溫度閾值和控制紫外線消毒功能。測(cè)試中，即使在WiFi信號(hào)較弱的情況下，數(shù)據(jù)傳輸仍然可靠，ESP8266模塊的自動(dòng)重連功能確保了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)物圖如圖5.4所示。圖5.4無(wú)線通信功能展示OLED顯示內(nèi)容直觀清晰，按鍵操作流暢無(wú)阻，用戶能夠快速讀數(shù)與操作。顯示界面共四個(gè)頁(yè)面，通過(guò)按鍵1進(jìn)行切換。頁(yè)面0顯示三個(gè)區(qū)域的溫濕度和有害氣體濃度，頁(yè)面1-3用于設(shè)置各區(qū)域溫度閾值。測(cè)試中，OLED顯示屏在低溫環(huán)境下仍保持良好的可視性，局部刷新技術(shù)有效降低了功耗，屏幕休眠和喚醒功能正常，單個(gè)按鍵操作響應(yīng)時(shí)間小于50ms，見圖5.5。圖5.5顯示控制功能展示紫外線消毒燈工作正常，能夠按照預(yù)設(shè)定時(shí)或手動(dòng)控制進(jìn)行消毒。系統(tǒng)默認(rèn)每24小時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)消毒30分鐘，也可通過(guò)按鍵3在界面0手動(dòng)開關(guān)。消毒燈在工作時(shí)，OLED屏幕上會(huì)顯示相應(yīng)狀態(tài)指示。測(cè)試表明，紫外線消毒對(duì)冰箱內(nèi)部環(huán)境具有明顯的殺菌效果，消毒過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉其他非必要功能，以確保安全運(yùn)行，見圖5.6。圖5.6消毒功能展示當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值或有害氣體濃度異常時(shí)，蜂鳴器能夠立即發(fā)出清晰響亮的報(bào)警聲。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)ESP8266模塊向用戶手機(jī)APP推送報(bào)警信息，確保用戶能夠及時(shí)了解異常情況。測(cè)試中模擬了多種異常場(chǎng)景，系統(tǒng)均能準(zhǔn)確識(shí)別并觸發(fā)報(bào)警，誤報(bào)率低，漏報(bào)現(xiàn)象未出現(xiàn)，報(bào)警靈敏度和可靠性符合設(shè)計(jì)要求，見圖5.7。圖5.7報(bào)警功能展示結(jié)論結(jié)論結(jié)論本設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)的智能冰箱系統(tǒng)，傳統(tǒng)冰箱存在溫度控制精度不足，缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控和有害氣體檢測(cè)等缺陷，該系統(tǒng)通過(guò)多模塊設(shè)計(jì)完成優(yōu)化。DHT11傳感器實(shí)現(xiàn)多區(qū)域溫濕度監(jiān)測(cè)，MQ-135傳感器對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳與操作控制，OLED顯示屏提供了直觀的人機(jī)界面，測(cè)試結(jié)果表明溫度控制精度達(dá)到較高的要求，功能豐富且便捷性提高，滿足現(xiàn)代家庭對(duì)智能化冰箱的需求。研究過(guò)程表明，多傳感器融合技術(shù)在智能冰箱中的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的三區(qū)域獨(dú)立溫控方案不僅提高了溫度控制的精確性，也為不同類型食材提供了最適宜的保存環(huán)境。精確到±0.5℃的溫度控制精度使得系統(tǒng)能夠滿足對(duì)溫度敏感食品的保存需求，例如奶制品和海鮮等容易變質(zhì)食材。有害氣體監(jiān)測(cè)模塊的引入成功解決了傳統(tǒng)冰箱無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)食品腐敗的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警，有效降低了食品安全風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)明顯提高了用戶體驗(yàn)，借助ESP8266模塊和MQTT協(xié)議，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效率上傳和遠(yuǎn)程控制，測(cè)試顯示99%以上的數(shù)據(jù)傳輸成功率，即使在WiFi信號(hào)較弱的環(huán)境中仍保持穩(wěn)定連接。這一功能使用戶能夠隨時(shí)掌握冰箱狀態(tài)，大大提高了使用便捷性。紫外線消毒功能的設(shè)計(jì)則有效解決了冰箱內(nèi)部易滋生細(xì)菌的問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)定時(shí)消毒和手動(dòng)控制相結(jié)合的方式兼具便捷性和靈活性。未來(lái)研究方向可圍繞三個(gè)方面展開：一是結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于用戶使用習(xí)慣進(jìn)行智能溫控優(yōu)化；二是整合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)食品識(shí)別和保質(zhì)期管理；三是開發(fā)更節(jié)能的制冷控制策略，進(jìn)一步降低能耗。本研究不僅為智能家電領(lǐng)域的發(fā)展提供了參考依據(jù)，同時(shí)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了重要借鑒，具有良好的理論意義和實(shí)用價(jià)值。工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)梁光勝、張安然、田璐.基于STM32單片機(jī)的智能云共享冰箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2020(22):4.胡振旺.基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2015.李姝麗,郭炘延,李昌祺,等.基于智能護(hù)理床的多功能床頭設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2021,017(014):56-57.丁曉雄.制冷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州電子科技大學(xué),2014.佚名.功耗降低十分之一且更安全,STM32U5MCU值得推薦[J].世界電子元器件,2021(011):000.李蘊(yùn)志,趙建鑫,楊建一,等.智能環(huán)保雞蛋盒設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,