智能炒酸奶机器的设计

郑 乾，胡旺文，徐仁豪，严炜权，王跃腾，郭焓森，周琛博

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

1 背景

1.1 物联网

在外国，物联网的概念很早就被提出了，但是一直没有受到各个学术界和各国政府的重视。直到21世纪初，各国才开始对应自己国家的情况制定相关技术的开发。自此以后，物联网才成功迎来高光时代。伴随着当今社会电子技术的高速发展，传感器的技术逐渐成熟和完善，再加上网络的普及和应用，使得现如今的海量信息的收集能力和分类处理数据信息的能力大幅度提高，为物联网的高速发展奠定了良好的基础[1]。

1.2 智能炒酸奶机的背景

炒酸奶机主要由新的压缩机、冷凝器以及蒸发器等具有高质量的零件组成，炒酸奶机器的核心就是压缩机，目前市面上80%的炒酸奶机器都是采用翻新的压缩机，这种压缩机相比全新的压缩机在价位上要低很多，但这种压缩机的工作性能很不稳定，外界天气炎热或者压缩机的电压过高都非常容易出现死机甚至烧毁压缩机的现象，而我们所设计的智能炒酸奶机则出现上述情况的概率小于0.001%，凭借着STM32F407型微控制器的控制，在压缩机过热时将会进行适当的物理降温，并实时监测压缩机的状态和情况，从而让机器能够在一种较好的状态下运行。

2 所涉及的相关原理

炒酸奶机的原理是让炒酸奶机器中的压缩机压缩冷媒,之后气体的冷媒在高压下变成液体就会释放出热能,通过炒酸奶机里面的散热管对热能进行散热，然后冷媒通过炒酸奶机器内部所设计的膨胀阀，最后被释放到智能炒酸奶机尾部的冷凝管中,这时因为冷凝管内部流动的冷媒是低压液体,且同时冷媒由液体变成气体要吸收热量,这样就将炒冰锅内部的温度降下去了,起到了降温的功能，从而快速的将酸奶凝成块状或者片状，最后在炒酸奶上加以花生碎、水果、坚果等使其具有不同的口味和特点。

2.1 创新性设计

目前市面上的炒酸奶机器大多为半自动的炒酸奶机器，缺点极其明显，而本智能炒酸奶机是利用STM32技术、软件技术以及物联网技术相结合，设计出的一种全自动的智能炒酸奶机。这款智能炒酸奶机完美地将主控芯片与PC端进行了相互结合，实现了对机器的压缩机、冷凝管等状况进行实时调整和反馈的功能，同时还利用ESP8266连接中国移动OneNET物联网平台将炒酸奶机的状态信息实时上传给云端数据库记录炒酸奶机器的运行状态。只需要将炒酸奶所需要的材料放在指定位置，智能炒酸奶机器即可自动完成。

2.2 总体设计思路与结构

智能炒酸奶机的主要构成部分为：炒酸奶机器的中控系统、信息收集及反馈系统、WI-FI通信上报系统以及云平台数据库处理系统。

智能炒酸奶机中的中控系统主要使用STM32F407型控制器来对整个系统中的压缩机、冷凝管等装置进行控制和反馈，相当于整个机器的“大脑”，不仅控制着压缩机的功率和制冷时长，而且对压缩机的温度、电压等几项参数也能进行实时监测和反馈。

智能炒酸奶机的信息采集系统与反馈系统会定时收集智能炒酸奶机的工作状态、监控制冷过程，并向上位机输出压缩机的状态信息。信息的采集利用摄像头和温度传感器来对智能炒酸奶机内部的压缩机上方的正在进行的炒酸奶活动的数据进行检测和采集，并将信息反馈给以STM32F407为基础的主控系统。

无线网交互通信系统是我们所设计的炒酸奶机体现智能化和轻便化的另一部分，使用安信可科技有限公司生产的ESP8266WI-FI模块，通过串口与主控芯片连接使无线网模块连接物联网平台即可将主控系统处理好的数据上报到云平台数据库进行记录[2]。

云平台数据库主要用来记录一些炒酸奶机器工作时的相关信息，包括制冷时间，坚果、水果的用料数量以及压缩机的温度等。

智能炒酸奶机总体设计如图1所示。

图1 智能炒酸奶机器的总体设计思路和结构

3 硬件系统设计

智能炒酸奶机采用STM32F407控制器作为核心电路板的控制器，以最小电路板为基础板载其他通信接口与外设接口，例如串口通信接口，WI-FI模块接口等。

ST公司这几年来研发了几款以CortexTM-M4为内核基础的STM32F4系列的高性能的控制器，这些控制器不仅采用了90 纳米的NVM工艺而且还采用了ART技术等一系列的高新技术。这些技术在STM32F4系列上的应用，使得STM32F4系列的高性能微电子控制器的内部程序基本能够无等待执行，不仅提高了程序的执行效率，而且将CortexTM-M4内核的多线程处理的特性完全发挥，使得STM32F4系列芯片能够让主频达到将近168 MHz的频率[3]。STM32F4系列的高性能微电子控制器自带的自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4内核的性能;当CPU工作于所有允许的频率段时，在闪存中运行或者等待的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。

STM32F407MCU时钟频率为168 MHz，拥有一百多个高速I/O端口，数据处理速度非常快，而且拥有多种通信接口，能满足绝大多数控制电路的应用，是STM32产品中性价比最高的一个。

目前市面上的ESP8266 WI-FI模块，自带WI-FI天线和无线驱动固件，而且ESP8266拥有完整的而且自成体系的Wi-Fi网络功能，既能够独立应用也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行，支持110-4608000 bps数据传输速率，体积小，功耗极低，在同类通信器件中具有相当优越的水平。

3.1 交互通信接口设计

图2 串口RS232接口的电路设计

RS-232-C接口是当前市面上最常用的一种串行通讯接口。RS-232总线规定了25条线，包含了两个信号通道，即第一通道，又叫做主通道和第二通道，副通道。利用RS-232总线可以完全实现芯片的全双工通信。大部分情况下我们使用的都是主通道，而副通道使用较少。在一般应用中，使用3条～9条信号线就可以实现全双工通信，采用3条信号线即接收线、发送线和信号地线，以此能实现简单的全双工通信过程。RS-232信号总是在+～-电平之间来回摆动，因此在发送所要传输的数据时，发送端的驱动器输出的正电平将会在正5 V～15 V之间，而负电平将会在负5 V～15 V电平之间。当没有数据传输时，线上为TTL电平，从数据传送的开始到最后结束，线上电平从TTL电平变到RS-232电平，然后之后再返回为原来的电平[3]。

一般的接收器的工作电平在正3 V～12 V之间或者负3 V～12 V之间。由于发送电平与接收电平的差仅为2 V～3 V左右，所以其共模抑制能力较差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大不超过15 m左右。但是RS-232是为点对点通讯，即只用一对的通讯设备而设计的，所以也正好符合我们的要求。

经过串口-RS232电路接通后，主控电路板就可以连接到PC端，并将压缩机的状态信息发送给PC端的数据接收器，方便对压缩机的状态进行检测。RS232接口连接的是主控芯片的串口3接口。

3.2 WI-FI交互接口的设计

ESP8266有八个引脚，但是通信利用的是串口通信的方式，另外加上+3.3V电压输入与GND端，四个引脚就能正常使用，非常的节省空间。连接WI-FI即可实现无线通信。

图3 ESP8266的模块模型

4 软件系统设计

4.1 控制系统

智能炒酸奶机的中控系统的编程部分主要分为三个方面，即控制对应的任务、炒酸奶机的状态上报和物联网模块的WI-FI数据上报。STM32F407芯片软件设计利用的是STM32的HAL库，外加Free-RTOS操作系统，将三个主要部分，分为三个实时任务，使得系统更加稳定。

STM32F407芯片自带看门狗功能，打开看门狗功能，能有效防止程序自我跑偏，从而避免造成设备损坏与经济损失。

主要代码的目录如图4。

图4 主要控制系统的部分代码截图

任务主要分为三个部分，即USART3_task、MainControl_task以及WI-FI_task。

任务之间可以通过所设置的信号量相互进行通信，然后在相互结合后开始有序地控制并检测智能炒酸奶机的内部情况。

4.2 数据的采集与应用

利用ESP8266 WI-FI模块，可以连接物联网平台来记录数据。记录的数据包括以下部分：压缩机情况、冷凝时间以及材料用量情况等。

5 总结

本文通过对普遍的炒酸奶机器的结构进行分析和改进；通过STM32F4、ESP8266、温度传感器以及物联网模块实现了对炒酸奶机器的冷冻时间数据的管理和总结；通过大量的数据记录,可以帮助提高炒酸奶的口感，而且在此基础上我们所设计的炒酸奶机器弥补了压缩机容易烧毁的缺陷，提高了街边摊贩的安全系数，使得大众更加能够接受这种美食，让人们吃的更加开心，促使人类走向更加简洁方便的社会。随着自动化、物联网技术在人类社会的各个领域的深入，社会正在向简洁化和轻便化发展，通过新的产品设计，带动传统产业的升级，提高其经济性，降低成本[4]。