摘要：文章主要针对家用饮水机为例，设计了一套基于嵌入式的智能饮水机控制系统。系统以STM32单片机为控制核心，采用FreeRTOS实时操作系统及STemWin图形界面系统，并配备水质监测模块和无线通讯模块等，用户可通过本系统监测到饮水机的工作情况和水质水量情况，并可通过手机APP对饮水机进行远程监测和控制，具有操作便捷、稳定性好、健康节能的特点。
关键词：嵌入式系统；STM32；饮水机；STemWin
1.系统功能
本系统由STM32单片机、LED灯、继电器、水量传感器、水质检测系列传感器、LCD屏以及WiFi模块组成，饮水机具备状态显示、温度监控、水质水量监测、无水断电、加热控制、远程监控与控制等功能。系统采用LCD触摸屏控制及智能手机APP控制两套模块，饮水机上配备的LCD触摸屏不仅可实时显示饮水机的工作状态、水温、剩余水量、饮用水的Tds（溶解性固体总量）值，还可通过触摸LCD屏控制加热，大大改善了体验感。
2.系统硬件设计
2.1STM32单片机
单片机是整个控制系统的核心，具有极其重要的作用。由于本设计采用了实时操作系统及图形界面系统，因此所选单片机必须具有存储容量大、性能强的特点。综合比较之下，本设计采用STM32F407单片机。STM32F407单片机由意法半导体开发，采用Cortex-M4为内核的高性能32位微控制器，拥有1M的内部FLASH、192KB的内部SRAM以及丰富的内部外设，符合本设计对单片机的要求。
2.2WiFi模块
WiFi模块负责把饮水机的状态信息发送给手机，并把手机发过来的信息传递给单片机。国内外WiFi芯片生产厂商很多，芯片性能越来越好。ESP8266是一款性价比较高的低功耗WiFi芯片，应用非常广泛，如智能机器人、无人机以及工业自动化控制等地方，在移动通信设备和物联网应用设计领域广泛使用。该模块具有UART异步通信串行接口，支持串口数据透明传输。通过串口WiFi模块，可使智能设备联网，实现无线远程控制。ESP8266的断电寄存器EEROOM有保持状态不变的功效，在突然掉电情况下可实时保留断电前的状态，再次上电时数值不变。ESP8266收发数据稳定，只要波特率设置恰当就没有乱码问题，且传输波特率可达115200bps。
2.3触摸显示模块
触摸显示模块采用ATK的4.3触摸屏，其分辨率为800×480，16位真彩显示，NT35510驱动，自带GRAM，无需外加驱动器，因而任何单片机都可轻易驱动。该屏为电容触摸屏，支持5点同时触摸，具有非常好的操控效果。该屏为TFTLCD，它与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，在液晶显示屏的每个像素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像质量。具有亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳等特点，是目前主流的LCD显示器，广泛应用于各类电子产品中。
2.4温度检测模块及水质监测模块
DS18B20是一种常用的数字化温度传感器，它支持“一线总线”接口，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件。可将环境温度信号直接转换为数字信号，以数字码方式串行输出，大大简化了传感器与微处理器的接口。DS18B20具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源，测温范围为-55℃~125℃，分辨率可达0.0625℃，适用于测量精度要求不高场合，本设计采用此传感器。TDS又称总溶解固体，它表明1L水中溶有多少毫克溶解性固体。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆TDS值越高表明水中含有的溶解物越多，对人的健康影响越大。
2.5PH值监测模块
PH值可反映水的酸度、净化程度、有机和金属稳定性等，本系统选用的270-WQ201PH传感器是一种相对耐用精度高的PH值检测器件。
3.系统软件设计
3.1操作系统和图形界面系统移植
STM32单片机需要完成采集、控制、通信、人机界面4个工作。由于数据的采集、控制、传输与人机界面的操作都具有较高的实时性要求，普通的前后台编程方式无法满足，所以本系统运行一种嵌入式操作系统FreeRTOS。Fre⁃eRTOS是一个可裁剪的小型RTOS系统，其内核支持抢占式、合作式和时间片调度，只需占用4~9k空间，任务数量及优先级不限，支持开发者使用IAR、GCC和Keil等编译器预编译，在超过30种架构的芯片上进行过移植。由于本设计采用LCD触摸屏，因此需要一个合适的图形界面系统支撑。STemWin图形库是SEGGER公司授权给ST在emWin的基础上开发的，使用ST芯片可免费使用STem⁃Win，但不能用在其它芯片厂商的处理器上。利用配套的开发小工具可方便地设计出许多控件界面，它与单任务和多任务环境系统、专业计算机系统或任何商业RTOS兼容，适用于本设计所选的LCD触摸屏。在进行控制程序编写之前需要在STM32F407上移植好FreeRTOS和STem⁃Win，移植顺序为先移植FreeRTOS再移植STemWin。任务切换是FreeRTOS移植的关键点。FreeRTOS采用中断形式进行任务处理，需要修改STM32固件库中的默认中断服务函数名称，这样中断发生后会跳转到FreeRTOS代码里的中断服务函数，把SVC_Handler，PendSV_Han⁃dler，SysTick_Handler分别改为vPortSVHandler，xPort⁃PendSVHandler，xPortSysTickHandler。STemWin移植关键点是：把FreeRTOS的系统节拍数改为1000，也就是1ms。
3.2单片机软件设计
进行控制系统应用层程序开发前，要先完成各硬件模块的驱动程序开发，主要有LCD触摸屏驱动、WiFi模块驱动、温度传感器和水质传感器驱动等。在完成驱动程序开发之后需要进行应用层开发，先对各硬件模块及软件中间件初始化，随后利用FreeRTOS系统进行每个工作任务开发，包括温度检测任务、LCD显示及按键扫描任务、无线通信任务、水质检测任务及水量检测任务等。
3.3手机APP与人机交互界面设计
手机APP的作用是远程显示饮水机状态信息以及远程控制饮水机的加热功能，因此APP操作界面要有当前饮水机的工作状态、剩余水量、水质等板块，还要有控制饮水机工作模式的按键。采用STemWin设计的人机交互界面具备以上功能。
结论
为改善传统饮水机功能过于单一且缺乏人机交互界面以及无法远程控制的缺点，设计了一款基于嵌入式技术的智能饮水机控制系统。以STM32为控制核心，在STM32上移植了FreeRTOS实时操作系统及STem⁃Win图形界面系统，引入无线通讯模块对饮水机进行远程监控，利用水质检测模块和水量检测模块对饮水机水质和剩余水量进行监测，实现对饮水机工作状态的实时监控、饮水机的水质和剩余水量的监测以及远程控制。多次试验表明，该系统工作稳定，达到设计要求。
参考文献：
[1]陶森林，李晖，苗中华，等.基于STemWin图形库和SAEJ1939CAN通信协议的采棉机监控系统设计[J].工业控制计算机，2017（9）：25-26.
[2]叶铁英.基于ARM和emWin的空调终端控制系统设计[J].中国科技投资，2014（A12）：192-193
论文作者:胡承欢
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：饮水机论文; 模块论文; 单片机论文; 水量论文; 水质论文; 系统论文; 触摸屏论文; 《基层建设》2019年第16期论文;