基于机智云物联网平台的泡茶机智能控制器设计

摘要:随着智能手机、物联网和云服务的技术融合,家庭的智能化已成为了一种发展趋势。本文以泡茶机的功能控制为切入点,设计了一种基于物联网云平台的智能控制器。

主要包括单片机智能控制器的设计和设备的云平台接入,最终实现通过手机APP对泡茶机的各项功能控制。以自动泡茶机智能控制器开发为基础,为研究基于物联网云平台的控制器在智能家居中的应用提供了参考。

1设计思路

图1控制板功能框图

目前市面上的泡茶机已经具备相当完备的基本功能,如水杯检测、水温控制、水位监测和无水报警等,但这些功能的控制还是需要用户在现场按下对应的按键,智能化和舒适性还远远不够。本项目则要在传统的泡茶机现有功能基础上,设计一个智能控制板,将泡茶机的所有功能进行集成,并通过无线模块将泡茶机与物联网云平台进行连接,用户可以在手机APP端对泡茶机进行全部的操作控制,十分适合在家庭和办公室中应用,让用户体验人未到而茶已泡好的智能化生活。

该控制板功能框图如图1。本项目选用低功耗高性能的单片机作为主控芯片,对接泡茶机现有的功能模块,实现功能的集成化控制,采用国内主流的WiFi模块,根据云服务商(机智云)提供的协议与设备端的模组系统GAgent对接,使设备可快速接入云端。

2硬件设计
2.1主控模块

C8051F34X系列是完全集成的混合信号片上系统性MCU,有高速、流水线结构的8051兼容的为控制器内核,全速在线片内系统调试接口,自带10位200ksps的单端/差分ADC,带模拟多路器。本项目选用了C8051F340型号的芯片,以它为核心,对接泡茶机各个功能模块,实现集成控制,如图2。

图2主控芯连接图
主控单元的的IO口功能分配如表1。

2.2无线网络传输模块
本项目选取了目前较为常用的esp8266-01,单元模块如图3。这是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块,可将用户的物理设备连接到无线网络上,进行互联网或局域网通信,实现联网功能。该模块支持无线802。11b/g/n标准,有STA/AP/STA+AP三种工作模式可选,内置TCP/IP协议栈,支持多路TCPClient连接,支持UART/GPIO数据通信接口。ESP-01模块需要加一个3。3V稳压模块,以保证稳定供电,因此在电路中设计了3。3V的稳压电路,如图4。

图3无线传输电路

图4稳压电路

2.3水温检测模块
ADC采集测温电阻上的电压计算现有水温,VREF是ADC的参考电压。图5这个电路用于测量水温,参考电压通过运放缓冲后经过R7和测温电阻组成分压电路。

图5水温检测电路

2.4其它检测模块
本项目中还设计了进水检测、出水监测、水杯检测和开关检测电路,如图6所示。利用泡茶机现有的传感电路,将其连接至单片机IO端口,根据输入电平的变化检测泡茶机的状态,以便程序进行处理。

图6进水、出水以及水杯检测电路

2.5输出控制模块
泡茶机的输出控制部分也由单片机芯片集成控制,如图7所示,由IO口输出控制电平后经由ULN2803输出较大的控制电流,驱动继电器控制3个抽水泵、保温加热、蜂鸣器以及三色信号灯的正常工作,具体的功能在程序中进行定义。

图7输出控制电路

图8泡茶机工作流程图
3软件设计与调试
根据茶壶的工作流程,设计主控流程,如图8。

本项目采用机智云提供的云平台进行远程控制,机智云是全球领先的物联网开发平台和物联网云服务商。在使用机智云平台服务前,需要先注册一个机智云开发者账号,分为个人开发者和企业开发者两种。个人开发者账号可以用于产品接入、设备管理、OTA服务、MCU开发等的功能,可以免费接入设备10台测试,本项目采用了个人开发者账号进行云端接入。

登陆至机智云开发者中心后台后,点击开发者中心后台右上角的“创建新产品”菜单,在跳转页面新建一个名为“SmartTeaMachine”的产品,选择“Wi-Fi/移动网络方案”方式接入,并完成产品创建第一步。然后设置产品的数据点,数据点是指产品具有的功能抽象,用于描述产品功能及其参数,通过不同数据类型进行表示。例如最简单的设备“开关”,具备功能为:开启、关闭,将其抽象为一个数据点为布尔型,0表示关闭,1表示开启。创建数据点后,设备与云端通讯的数据格式即可确定,设备、机智云可以相互识别设备与机智云互联互通的数据。

数据点是一个产品的重要属性,因此产品智能化的第一步就是明确产品功能,并逐一在平台上创建对应的数据点来描述功能。接下来云端会根据产品定义的数据点生成对应产品的设备端代码。自动生成的代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑,并封装成了简单的API,且提供了多种平台的实例代码。

当设备收到云端或APP端的数据后,程序会将数据转换成对应的事件并通知到应用层,开发者只需要在对应的事件处理逻辑中添加传感器的控制函数,就可以完成产品的开发。使用自动生成的代码开发产品,就不必再处理协议相关的部分了,开发者可以将节省出来的精力集中在产品的核心功能开发上。

图9智能泡茶机APP控制端

数据点和设备端代码设置完毕后,就可以在开发者手机上利用机智云APP进行产品的连接和调试了,手机端控制界面如图9。

4总结
经过软硬件的联合调试,本设计最终实现了用户在手机端用APP远程控制泡茶机的各项功能,如图9中,通过数据点number值由1~10的选择,可以进行多种模式的泡茶程序切换,还可以在APP中选择自动茶杯清洗和水温调节等功能。

基于云服务的智能家居研究是目前的趋势所在,本项目所研发的智能控制板也可拓展至其它小家电的控制,实现控制方式的革新。传统的家电控制无非是通过电器上的按钮或是专用的遥控器对家电进行控制,而智能家居可以通过集成化的操作体验来实现控制:可以在手机上,也可以在专门的一个操作设备上,通过触碰、语音甚至手势来操作,这样统一控制所有家电既提升了用户的操作体验,又降低了整个系统的硬件成本。