自动淘米煮饭机器人的设计与实现

于洋　叶子　郭闻麒　王春峰　李志鹏　侯琳

摘要：随着物联网软件技术的高速发展，家电产品趋向智能化，煮饭方式也有革命性变化。为了提高上班族生活质量，提出一种智能煮饭的解决方案，即通过手机APP，利用4G网络远程控制自动式淘米煮饭的智能电饭煲的设计方案。运用物联网技术实现了对电饭煲的远程控制和实时交互，即利用手機端APP与用户交互，服务器监听端口的程序获取到数据后传送给WiFi模块，再利用压力传感器、水位检测传感器和单片机，测定出淘米和煮饭所需的水量后，利用电机驱动水泵完成自动淘米的功能。在电饭煲中，部分电路使用了桥式整流电路将交流变为直流电及弱电控制强电的方法，使电路安全性更加优良，成本低，操作简便，移植性强。

关键词：自动淘米;远程控制;4G;低成本

中图分类号：TM925.52

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.065

1 选题背景

各种智能家电产品的不断涌现，给人们的生活带来了极大的便利。目前国内外的大部分电饭煲主打功能的侧重点都在如何更精致煮饭，让米饭煮得更香、更好吃，比如自动控温、高压等。市场上现有电饭煲只有不同模式的煮饭方式和保温时长，但还不具备远程控制功能，所以还有诸多需要改进的方面。大部分操作仍然需要人为操作，比如手动淘米、测出适量煮饭水位等，然后由用户再设置时间，按下按钮。可是用户不能跨地域、跨时间地控制电饭煲，而且市面上智能化程度高的电饭煲价格昂贵，且内部电路复杂，遭到损坏后，即使是送到专业维修点，维修起来比较困难。

本项目的研究意义在于，使物联网远程控制技术在家电领域取得实际性的突破，又通过技术创新体现科技提升人们生活水平的理念。

2 总体设计方案

2.1 具体设计方案

该远程智能电饭煲的主要部件有单片机、继电器、电饭煲、水泵、电机驱动模块（单片机控制的驱动系统，驱动系统根据接口过来的单片机指令调整输出功率从而驱动马达）、导水管、水位检测模块（又名“液位计”，可以通过水位的高低来改变阻值的大小，电阻值的大小再反馈给单片机，实现水位监测的目的）、电机、整流降压模块（降压部分利用变压器原理，整流部分利用二极管整流桥，两部分结合把交流电整流为直流电），WiFi通信模块。当手机APP发出的信号通过网络传送到WiFi通信模块后，再由WiFi通信模块将数据上传到主控板单片机，主控单片机通过控制电机驱动模块，从而控制电机转动的时间和水泵的抽水及吸水，以此实现淘米功能，与此同时，通过水位传感器模块来控制水位，最后通过主控板单片机打开继电器，电饭煲开始煮饭。远程智能电饭煲系统总体设计数据流图如图1所示。

2.2 硬件电路设计

在整个远程控制系统中，在原有的电饭煲电路基础上做了电路及功能的改进，将原来的半自动改为现在的远程控制全自动系统。步骤如下：①弱电控制强电，安全节能。②实现远程控制，方便实用。适用人群为上班族，农民工，外出租房的学生党，懒人党等。

2.3 应用场景

整流降压部分.利用降压蛮压器将交流电压南220 V隆至5-12V，再由桥式整流电路，将交流电整流转化为直流电，由整流后的电压为电机驱动模块向主控单片机提供相应的电压和电流来驱动各个环节的电机以及其他用电设备;在控制电饭煲电源通断部分，单片机具有体积小、重量轻、抗干扰能力强，综合性价比高等特点。所以主控制单片机是整个系统的核心，也是系统司令部，由主控单片机下达相应功能指令控制继电器，通过对继电器内部的电磁线圈通断电来控制继电器的吸合与断开，进而控制电源的开闭;自动进水部分，单片机控制水泵，再通过压力传感器及反馈条件求出水泵的预设淘米进水量，待水量达到设定水位时，主控单片机发出相应信号给水泵，此时水泵停止进水。进水部分设计有进水次数，根据用户可自定义进水次数，用户未设置次数时，也提供了默认选项。

在防止米饭营养价值流失的基础上，还添加了进水次数的限制的功能;淘米功能，是以豆浆机和洗衣机的运转机制为基本构思，电饭锅底部的电机转动则带动锅内的米和水一起转动，使米和水的混合体在左右来回的转动下实现淘米功能，淘米操作完成后主控单片机发出指令启动锅内水泵（或者打开出水阀）排出锅内淘米水，一次排水结束后，电饭锅会再一次启动外部的水泵装置进水淘米。待淘米流程完全结束后，通过算法计算米与水的最佳配比，最后一次水泵压水。随后，反馈系统向主控单片机传送数据信号，主控单片机又一次对继电器发送信号以启动继电器，开始利用高压进行蒸煮米饭，提升米饭的口感。煮饭结束后，智能电饭煲会自动切换到保温模式。智能电饭锅实物如图2所示。

2.4 软件设计

软件设计则体现在Android部分。手机端APP部分：客户端设置开关按钮向云服务器发送信号，并设置APP所绑定的电饭锅标识号。客户端监听云服务器端口，获取云服务器发送过来的数据。在电饭锅的控制上，还提供了可视化文本框界面“远程遥控电饭锅”，以此来提示用户是否需要选择“远程控制电饭锅”的服务。服务器程序部分：在端口处监听获取的数据，服务器端接收数据后做出相应的应答判断，再将信号发给单片机中WiFi模块，WiFi模块将单片机串口转化成无线WiFi信号，让传统串口设备可以连接到网络。而每个WiFi模块都绑定了后台服务器，单片机利用WiFi模块传送网络数据。每台单片机具有唯一的ID号，如果想使用智能电饭煲的服务，客户需先输入单片机ID号，再向服务器中存储的单片机ID号进行确认绑定，APP与ID号绑定后，APP与服务器之间就建立起基于TCP/IP协议的socket通信方式的网络通讯。用户端APP首先向服务器发送特定数值，服务器将接收到的数值转化为特定信号后，再将信号传回WiFi模块，单片机接收信号后做出指令判断，选择是否启用电饭锅的工作模式。单片机开发部分：单片机中导入WiFi模块库，开发4G环境从而驱动4G模块，并时刻监听服务器是否传来数据，根据获取的数据做出具体情况具体分析后，执行功能所相应的函数。与此同时，后台服务器会记录APP、单片机和其他相关设备的状态和信息参数。软件APP的界面图如图3所示。

2.5 载荷组合

智能电饭煲的工作过程：单片机WiFi模块接收用户端发出的数据信息，再将数据转化成特定信号向主控单片机传送，单片机获得信号之后，电饭煲由休眠模式进入工作模式。待工作完成之后，电饭煲又回归休眠模式。

3 創新点

应用物联网技术结合通信模块，实现远程控制以及实时交互。WiFi模块与单片机通过串口相连，进而控制电饭煲。用户在手机APP上输入指令后，就可对电饭煲远程控制，进行实时交互。4G远程控制，智能便捷。电路简单，可移植性强。还适用于其他各种远程检测和控制的情形，如远程浇花、远程养鱼等系统。易推广，受众范围广。本设计贴近大众的购买力水平，且产品实用功能强大，满足消费者需求，易于推广。

4 总结

本项目采用了物联网技术结合通信模块及4G远程控制的先进技术，达到了远程控制以及人机实时交互的效果。通过手机APP设定用户要求，包括电饭煲启动时间、淘米量、煮饭方式等。网络通讯随即将收集的数据信息参数传到后台云服务器，服务器监听端口的程序获取到数据后再传送给与单片机结合的WiFi模块，通过WiFi模块将数据进一步传输给单片机和水位传感器，单片机和水位检测传感器得到数据指令后，测出淘米和煮饭分别所需的水量后，再利用电机驱动水泵完成白动淘米，淘米结束后装置进入煮饭模式。在智能电饭煲电路设计中，部分电路采用了桥式整流电路的方法将交流电转化为直流电，避免了使用全波整流电路改造的复杂，又能达到全波整流的良好效果，再结合弱电控制强电的方式，使整个电路安全性更加优良。在保证安全性高的前提下，装置可操作性高、成本低、可移植性强。

本文设计的电饭锅，可以增加定时开关功能，用户向电饭煲加入米后，设定电饭锅开启T作的时问，使电饭煲自主启动。该设计方案实现了远程控制家电，使家电智能化，有效地减少了人力和时问成本，实现了智能家居生活。

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