基于单片机的智能冰箱系统

邓然 邵鑫宇 于剑光 朱英坤

摘要：互联网技术的日益发展带动了智能冰箱的市场占有率，家电接入物联网迈入高速市场化发展期，从而带有无线通信模块的智能家电迎来了发展期。智能冰箱能够进行不同模式间切换，自动适应不同环境，始终保持食物最佳储存状态，通过电脑或手机，可以对冰箱内食物数量、质量进行监控，为用户提供健康食谱，通过互联网进行网络下单补充食材，并能进行美食分享。本系统旨在设计一款智能冰箱系统，选用性能较高的STM32单片机进行系统搭建，使冰箱内环境参数恒定，可以通过智能化手段查看数据。利用DS18B20传感器实现对冷冻室温度测量。DHT11传感器实现对保鲜室内温湿度测量，可以通过屏幕查看当前温湿度。根据测量结果自动启动设备实现制冷，除霜。通过Wifi无线通信实现，终端设备查看数据。

关键词：冰箱;温度;单片机;无线通信

1绪论

1.1 课题研究的背景和意义

随着人们对智能新技术依赖和需求不断提高。智能家居成为了人们追求的目标。智能家居利用家庭住宅为平台，将目前多种成熟技术、智能化硬件、智能终端等进行应用，组建成一个智能化家居系统。在目前国家经济快速发展的同时，对于家居住宅节能减排、保护环境、绿色、低碳等要求下，智能家居控制设备所体现出的自身优越性，逐渐成为住宅行业未来发展追求的重点。

1.2 智能冰箱的研究现状

国外对智能家居的研究从1980年开始，到目前为止已经发展了三十多年，比中国起步早，大概经过了四次技术变化。

智能家居产品使用最多的是第三次智能家居技术，实现家中所有设备统一控制，不过第四次技术中使用IP技术，在一些发达国家已经开始研发，有相应的产品。

2013年4月，三星推出了一款名为T9000的智能冰箱，除了冰箱本身在外观上是四开门的设计外，最为吸引人眼球的是这款冰箱加载了安卓的系统，这款冰箱门上配备了一块10英寸的触摸屏，支持WiFi网络的连接，并且有自带的笔记应用程序Evernote

海信也在2012年11月份推出了博纳SMART智能冰箱，这款冰箱可以搭载物联云服务，引入全新的食品管理功能。2015年海尔公司发布“馨厨”互联网智能冰箱，自带10寸屏幕、立体声扬声器，通过此电子屏可以进行影音娱乐播放，生活咨询查询，以及网络交互等。

1.3 主要研究内容

基于单片机的智能电冰箱设计与实现，DS18B20温度传感器采集冰箱内冷冻室内温度，DHT11温湿度传感器采集冰箱冷藏室内温度和湿度，数据传送给STM32F103主控单元模块，OLED液晶显示数据。根据不同数据可以控制制冷设备和除霜设备，同时无线传输数据到终端设备显示，达到恒温恒湿的效果。

2 智能冰箱总方案设计

根据智能冰箱的特性可知，家居冰箱数据传输要求通信方式具有数据量小、传输距离比较近、节点多、安全系数高等特点，而无线通信具有自组网、多节点、低功耗、短延迟等特点，无疑是智能家居内部网络通信方式的最佳选择，所以在智能家居通信方式上采用WiFi等无线通讯方式相结合的形式。

2.1 系统分析

系统主要由以下部分组成：智能冰箱、远程服务器及智能移动终端（智能手机或PAD）。系统以STM32F103单片机为控制核心，利用DHTIl数字式温度传感器采集温度信号，并送入单片机处理后显示。然后把数据通过单片机的串口送入串口转Wi-Fi数据传输模块中，由该模块进行无线数据的收发。无线路由器进行中继和路由，远程服务器对收发的数据进行处理，并与智能移动终端进行通信，由智能移动终端对冰箱进行远程控制及远程状态显示。智能冰箱控制系统及无线系统结构框图如图2-1所示。

2.2 无线通信方案选择

本系统采用无线通信方式通信，将传感器采集到冰箱的数据经过无线方式传送到手机显示，同时通过此无线方式，进行控制。

2.2.2 Wifi

WiFi之所以能够风行全球，这与它的固有特性是分不开的，相比于其他无线通信技术，传输速度快、电力消耗非常低、无线链路更好的工作、高信号可靠性。采用wifi无线通信方式作为无线通信方案。

2.3 智能冰箱硬件选型

在智能冰箱系统的设计当中，硬件选择主要包括控制器芯片、温度传感器和WIFI芯片。同一个功能，可以选择不同的硬件，但是好的硬件对整个系统的稳定性、功耗和经济成本至关重要，因此，硬件的选择对于本研究方案至关重要。

2.3.1控制器芯片选择

该微处理器功能强大、价格低廉，工作电压在2～3.6V，具有多种省电模式，这保证了低功耗应用，工作环境温度在-40℃～+80℃/-40℃～+105℃，这显示了它可以在寒冬酷暑的季节稳定运行。

主要具有以下几种优势：

（1）成本低

（2）功能强大

（3）技术成熟

（4）功耗相對较低。

2.3.2冷藏室温湿度传感器选择

DHT11温湿度传感器也是一款含有已经校准的数字信号输出的温湿度传感器部分。具有的数字模块的采集技术与温湿度传感器的技术，保证了产品含有很好的可靠性与稳定性。这DHT11温湿度传感器如图2-3所示。

2.3.3冷冻室温度传感器选择

冷冻室需要对食品进行冷冻，所以需要选择一款量程适合低温检测的传感器。DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

2.3.4 Wifi模块选择

ATK-ESP8266是一款高性能串口-无线模块，它板载ESP8266模块，通过串口和主控芯片通讯，这样可以很方便和主控芯片进行连接，最终选取ATK-ESP8266作为系统的WiFi模块。

2.4 系统软件选型

在 STM32 主控芯片开发时采用的是Keil u Vision5 开发环境。它主要针对 ARM 处理器，特别是采用 ARM Cortex-M 作为内核的处理器。Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基础上，加强了对 Cortex-M微控制器开发的支持，并且把传统的开发模式和界面分成了 MDK Core 和Software Packs 两部分。

经过方案讨论，最后制定了最终智能冰箱系统设计方案。硬件框图如图2-6所示。

3 系统软件设计

本文软件设计选择在STM32主控芯片开发时采用的是Keil u Vision5开发环境。采用JLINK仿真器进行研究。在进行系统设计的过程中应用了模块化的设计思路，也就是说系统中的各个环节由子函数的调用发挥作用。

3.1 软件总体设计

Keil u Vision5是keil公司2013年10月推出的一款主要针对使用u Vision5 IDE 集成开发工具，它主要针对ARM处理器，特别是采用ARM Cortex-M作为内核的处理器。

Keilu Vision5 可以兼容Keil u Vision4，并在Keil u Vision4 的基础上，加强了对Cortex-M微控制器开发的支持，并且把传统的开发模式和界面分成 MDK Core 和Software Packs 两部分。

JLINK仿真器是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，主要是为支持仿真ARM内核芯片，能在KEIL、ADS等多种集成开发环境下支持大部分ARM系列内核的仿真。

4结论

本文设计一款简单实用价格低廉的智能冰箱系统。该系统采用STM32 作为硬件平台，配合嵌入式操作系统实现智能控制的基本功能。该系统不追求华丽外表，主要是价格低廉、简单实用，着眼于低端市场。本文设计了一种智能冰箱系統，该系统基于Wifi无线通信技术实现冰箱内食品环境温湿度信息采集、冷藏室和冷冻室等温度远程调节与监控、信息提示功能、数据存储等集控制和信息管理于一体，全方位全过程数据质控的成套设备及控制管理系统，具有安全可靠、能耗低、保鲜效果好、健康卫生等优点。

参考文献

[1]洪鑫，陈功.冰箱的网络智能化交互设计策略研究[J].机电产品开发与创新，2018，31（01）：16-18+22.

[2]吕秀凤，焦其意，崔培培，高冬花.综述智能冰箱的发展现状[J]. 家电科技，2015，（11）：24-25.

课题类别：黑龙江省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题

课题名称：新工科背景下基于AIOT的物联网工程专业人才培养模式的探究

课题编号GJB1421618

哈尔滨华德学院 黑龙江哈尔滨 150028