（检测技术与自动化装置专业论文）信息家电的研究与设计.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盘必日期：迦遂! 塑丝乡 人连理r 人学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 盘照主 避 坦! 年旦月2 oe l 大连理工大学硕士学位论文 摘要 信息家电是2 l 世纪家用电器发展的主流方向。论文通过探讨信息家电的发展和技 术要点，从实际工程出发，对传统家用电饭煲进行深入细致研究，实现电饭煲智能化控 制和网络化设计。 针对电饭煲的加热控制方法和电饭煲炊煮的最佳炊制加温曲线进行理论研究，提出 了一种电饭煲炊煮工艺流程的设计方案，详尽分析炊煮流程的各个阶段和异常处理对 策。针对炊煮流程，研制了一个易于实现的米量推算和加热功率的一维模糊控制器。定 制了不同煮饭模式、不同米种、不同米景的炊煮模糊控制和保温、煲粥、蒸煮等状态的 加热控制方案，并给出在炊煮各个阶段的参数。提出采用一维模糊控制算法解决扩充功 能和增加代码存储空间开销之间的矛盾，成功的实现了多模式、多米种、多状态及精细 控制等多项功能的智能电饭煲的设计。论文还分析了电饭煲硬件控制电路的组成和基于 状态划分思想的软件系统的设计。 在实现电饭煲智能化的基础上，且以电饭煲作为家电产品的一个代表，针对电饭煲 网络化的问题展开进一步研究。基于美蓝科技公司的a x 4 5 1 0 开发板，设计了电饭煲硬 件电路的串行转换电路，并应用电饭煲微处理器h t 4 6 r 6 5 的i o 口线，实现了开发板 和电饭煲的串行通信。基于a r m 7 核的$ 3 c 4 5 1 0 b 和嵌入式操作系统u c l i n u x ，通过“8 位m c u + a r m + u c l i n u x ”方式使电饭煲拥有了i p 地址，为实现信息家电提供了基本条 件。 利用l i n u x 系统下的g u i 工具g l a d e ，基于g t k + 库开发了信息家电的监控界面， 通过s o c k e t 编程，对信息家电进行监控。论文对炊煮、保温等流程在各个阶段研究和设 计所得出的调试参数以及网络化设计思想和方法，对基于专家经验的电饭煲以及同类型 家电产品的设计具有实际指导作用，对促进家电设备的数字化和网络化有着广阔的应用 前景。 关键词：信息家电；模糊控制：电饭煲；u e l i n u x ；g t k + 型! 堕兰! 焦星窭皇竺堑塞量丝盐 r e s e a r c ha n d d e s i g no f t h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e sw i l lb et h em a i np r o d u c t so ft h ea p p l i a n c e si nt h e2 1 t h c e n t u r y n l ep a p e rd i s c u s s e st h ec o r et e c h n i q u ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c t , t h er e s e a r c ho nt h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cr i c e c o o k e rh a sb e e nm a d ea n dt h ea p p l i c a t i o no ft h en e t w o r ka n di n t e l l i g e n c et e c h n i q u eo nt h e e l e c t r o n i cr i c ec o o k e ri sr e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h eh e a t i n gc o n t r o lr u l e sa n dt h eb e s th e a t i n gc u r v eo ft h ee l e c t r o n i cr i c e c o o k e r , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wc o o k i n gp r o c e s so ft h ec o o k e r ，a n a l y s e sa l lt h es t e p so f t h e c o o k i n gp r o c e s sa n dt h ee x c e p t i o n s a t l a r g e w i 也t h en e wc o o k i n gp r o c e s s a o n e d i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e rt h a tc a l lc a l c d a t et h ew e i g h to fr i c ea n dt h eh e a t i n gp o w e r m o r ee a s i l yi sd e s i g n e d i nt h ep a p e r , t h ef u z z yc o n t r o lw a yf o rd i f f e r e n tc o o k i n gm o d e s ， d i f f e r e n tk i n d so fr i c ea n dd i f f e r e n tw e i g h to fr i c ei sp r o v i d e d 。t h ep a p e ra l s op r o v i d e st h e h e a t i n gc o n t r o lr u l e sa n dt h ep a r a m e t e r si nt h es t a t u so fh e a tp r e s e r v a t i o n ，c o o k i n gc o n j e c ， s t e a m i n g e t c t h eo n e d i m e n s i o n f u z z yc o n t r o l a r i t h m e t i ci s p r o v i d e dt os o l y e t h e c o n t r a d i c t i o no ft h em o r ef u n c t i o na n dp r o g r a mm e m o r y i nt h i sw a y ，t h ei n t e l l e c t u a lc o o k e r w i t ht h ef u n c t i o no fm u l t i m o d e ，m u l t i k i n d ，m u l t i s t a t u sa n dm i n u t ec o n t r o li sr e a l i z e d m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ed e s i g no f t h ef o r mo f t h eh a r d w a r e sc o n t r o lc i r c u i ta n dt h e s o f t w a r es y 8 t e mt h a tb a s e do nt h ei d e ao f p h a s ed e m a r c a t i o n a f t e rt h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e l l e c t u a le l e c t r o n i cr i c ec o o k e r ，t h en e t w o r kt e c h n i q u e a p p l i e do nt h ec c l o k e rt h a tr e p r e s e n t st h ec o m m o na p p l i a n c ei sr e s e a r c h e d b a s e do nt h e a x 4 5 1 0o f t h em e i l a nt e c h ，也ec i r c u i to f s e r i a lc o n v e r tt ot h ec o o k e r sh a r d w a r ei sd e s i g n e d u s i n gt h ei op i n so fh t 4 6 r 6 5w h i c hi st h em c ui nt h ec o o k e r , t h ec o m m t m i c a t i o nb e t w e e n 也ea x 4 5 1 0a n d 也ec o o k e ri sr e a l i z e d w i t ht h ea x 4 5 1 0w h i c hi sb a s e do nt h e 删7a n d t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u x ，t h er i c ec o o k e rg e t st h ei pa d d r e s si nt h e ”8b i t s m c u + 删+ u c l i n u x ”m o d e w i mt h eg l a d eo f g u it o o l si nt h el i n u xs y s t e m ，t h ec o n t r o li n t e r f a c eo f t h ei n f o r m a t i o n a p p l i a n c ei sd e s i g n e db a s e do nt h eg 刀汁l i b r a r ya n dt h e s o c k e t p r o g r a m m i n g 劢e p a r a m e t e r sg o tf r o mt h er e s e a r c ho na l lt h es t a t u sa n dt h ed e s i g nw i t ht h en e t w o r kt e c h n i q u e c a np r o v i d ep r a c t i c a lg u i d et ot h ed e s i g no ft h er i c ec o o k e rb a s e do nt h ee x p e r te x p e r i e n c e s a n dr e l a t i v ea p p l i a n c e s a n dc a i lb ea p p l i e dw i d e l yt ot h en e t w o r ka n dd i g i t a lt e c h n i q u e k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ；f u z z yc o n t r o l ；r i c ec o o k e r ；u c l i n u x ；g t k + 大连理工大学硕士学位论文 引言 “信息家电的研究与设计”属于嵌入式系统应用领域，课题源于“e c j - d f 2 1 8 m s 豪华型电饭煲的设计”工程实际项目。 随着以计算机技术为核心的信息技术，特别是数字化技术、多媒体技术和网络技术 的飞速发展，信息技术正逐步向传统的家用电子产业渗透，一种新型产业信息家电 产业正在迅速崛起，2 l 世纪信息家电将广泛进入家庭。信息家电为家用电器的更新换代 创造了契机。据预测，进入2 1 世纪，信息家电的市场份额将高达数万亿荚元。世界著 名的电脑和家电企业如i b m 、夏普、微软、英特尔、松下、n e c 、东芝等都大力开发研 制自己的信息家电产品，我国的许多公司如联想、长虹、海信、t c l 、海尔等也都投入 到信息家电的开发工作。作为传统家电代表，电饭煲也已融入到系统化的信息家电系统 中，它的功能已不再只是单纯的煮饭。功能齐全、操作简便、人性化的界面，烹调过程 自动化，甚至是网络控制的信息化电饭堡成为现代人的新需求。伴随着生活水平的提高， 电饭煲的智能化和网络化将成为一种趋势，机械式电饭煲必将退出市场舞台。 本文在对信息家电技术进行深入阐述的基础上，基于智能化电饭煲所需实现的各种 功能，着重研究其实现流程，设计了用于实现炊煮流程的降维模糊控制器，给出了电饭 煲的硬件电路和软件设计方案，实现了电饭煲的智能化。并提出一种电饭煲的上网方案， 同时通过上位机( p c ) 对网络电饭煲进行监控，完成复杂的电饭煲炊煮参数的调试。全 文共分五个部分： 第l 章阐述信息家电的发展和相关技术。 第2 章在分析各种电饭煲功能和升温曲线的基础上，着重于电饭煲智能化的实现。 建立保障智能化功能实现的各种工作流程，采用模糊控制技术实现了一种多米种，多工 作模式，多状态的智能电饭煲，并给出了硬件电路和软件系统框架的详细设计方案。 第3 章提出了电饭煲的一种网络化方案，着重阐述基于a r m 7 t d m i 核的微处理器 $ 3 c 4 5 1 0 b 和嵌入式操作系统u c l i n u , x 以及交叉编译环境的建立。给出了智能化电饭煲 和嵌入式平台的串行通信方案。 第4 章介绍了l i n u x 操作系统以及系统的开发工具应用o u i 工具q l a d e ，设计了 基于g t k 十库的监控界面通过s o c k e t 与信息化电饭堤通信，实现了电饭煲炊煮参数的 调试监控程序。文中还给出了电饭煲研制过程中具体的调试参数和专家经验值a 结论部分是对整篇论文进行总结，并提出了下一步需要完善的几个方面。 孙晓字：信息家电的研究与设计 1 信息家电概述 信息家电( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 是近年来提出的一个新概念，其含义是将计算机 数字化技术、现代通信技术融入传统的家用电器之中，使之智能化并具有网络信息终端 的功能，可以主动的发布、获取和处理相关信息，从而使传统家庭信息化与现代信息社 会“信息高速公路”通信网络紧密相连，为数字处理和网络技术更广泛的深入家庭生活 而设计的新型家用电器产品【l 】。信息家电也是一种嵌入式系统，但它与一般嵌入式系统 的传统家电主要区别就在于，信息家电能够与网络交换信息，并具有智能信息处理的功 能。因此，可以说信息网络化及智能化是信息家电的灵魂。 1 1 信息家电的研究发展现状 信息家电的重要特征是它们都具有可视或语音功能，信息处理功能和双向网络通信 功能，它是网络上的家电，本身具有一定的智能，并支持某种统一的、标准的通信协议 和控制协议。信息家电正处于起步阶段，许多计算机、通信、家电行业的巨人都认识到 智能信息家电的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。m m 、夏普、微软、英特尔、n e c 、 东芝、思科和松下等公司都已开始建立智能信息家电和智能家居公司。根据美国该行业 之专业顾问公司p a 王s 的统计，2 0 0 0 年国际智能家居的产品销售额已达2 4 亿美元， 2 0 0 4 年，家庭网络市场总额可达5 7 亿美元。而据一些国际专家估计，2 0 0 4 年智能家居 产品销售额实际上可能会达到1 4 8 亿美元嘲。国内的一些著名家电制造商，如t c l 、联 想等已经开始了对信息家电或网络家电的研究【3 1 ，并且成功开发了不少“概念式”的产 品。 1 1 1 家电智能化的发展概况 当今社会科技发展迅速，人们生活水平迅速提高，家用电器越来越受到人们的重视， 许多家用电器制造商都投入大量的人力、资金进行家电的升级和智能化。 所谓智能化家电，是指运用现代最新科技研制开发的新一代具有智能功能的家用电 器【4 】。它所涉及的高新技术领域十分广泛，其中包括：多媒体技术、数字技术、模糊控 制技术、太阳能技术、专家系统、人工智能、生物技术等。 目前，在智能家电研究方面已取得很大的进展，出现了一些功能各异、形式多样的 智能家电。例如具有智能功能的洗衣机，这种洗衣机运用模糊控制技术，使洗衣机能够 自动完成从注水、加洗涤剂、洗涤、烘干、关机等过程，即将要洗的衣服放入洗衣机内 后不用管理便可自动操作运行 5 】。多媒体技术给智能家电提供越来越齐全的功能，现在 的很多家电都有了声音、视频功能，能非常好的完成与用户的交互。智能家电的智能功 大连理工大学硕士学位论文 能还表现在家电具有自动识别和调节功能。例如智能空调，它通过众多的传感器及控制 系统，根据室内温度自动调节使之始终保持在最佳温度左右。现代人工智能和专家系统 在家用电器中的应用也越来越广泛。如在厨房家电中出现了智能微波炉、智能面包机等。 运用语音识别技术的声控家电近年来发展也很快出现了声控电话机和声控电视等。还 有智能冰箱，可实现多个温区的精确控温，通过l c d 提示工作状态和温度数据智能 提示食品的最佳存储温度和保存期，并可自由设定存储日期，如食品到期未食用，将进 行提示【6 j 。智能微波炉不但具有语音功能，还可以根据食品上的条形码信息来决定加热 食品的时间和烹饪的温度。 现在，欧洲、美国、日本和国内的一些家电公司都已提出了智能家电的解决方案， 并已实现成品化，尽管各方提出的方案不同，但都本着标准化、开放性、面向未来的宗 旨，体现以人为本的设计思路，让消费者全方位的感受数字生活【7 】。 1 12 信息家电与智能家庭 智能家庭是指将家庭内部所有的设各和应用系统通过智能家居网络连接成一体，以 实现安全、经济、舒适、方便等指标综合平衡的家居系统，是计算机、通信及控制等相 关技术与传统家居系统相结合的产物。它不仅是一个国家经济实力和科技水平的综合标 志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势”j 。 家居网络系统的主要目标是通过统一的网络总线和控制平台将家居的电器设备、灯 光控制系统、安全监控系统、能源管理系统等连成一体。一个典型的分布式家居网络如 图1 1 所示。 3 孙晓宇：信息家电的研究与设计 图中，家庭网络的前端是连接l n t e m e t 的家居网关，该网关是整个网络的控制配置 主节点，是用来管理各种智能化的家用电器以及家居设旆控制器的家居控制中心，是其 中最关键的组成部分【9 】。它可以通过无线、电话线、网线、电力线等方式与家庭内部网 络相连。家庭内部网络可以是一个，也可以是多个。若是多个内部网络，每一子网可以 使用不同的物理媒体和通信协议，网关节点兼容所有的通信协议，不同子网的设备可以 和其它子网的设备交互通信，从而实现家庭的网络化智能控制【1 0 1 。在现阶段，p c 可以 成为家居的中心服务器，连接和控制家电子网【1 1 】。通过家居网关，可以对家庭传送电话、 电视、c d 、d v d 和m p 3 音乐节目，并传送来自监视摄像机的信号，控制家用电器的指 令，以及来自i n t e m e t 的多媒体信息流。电力部门可以通过家庭网络远程控制进入用户 家庭的电流，自动抄表【1 2 1 。 随着人类社会的进步和科技水平的发展，数字化和网络化的时代已经来临，阻往的 家庭不会仅仅满足于高质量的电器设备，智能家居网络必将成为跨世纪的研究热点【b 】。 1 1 ，3 信息家电现阶段的特点 ( i ) 网络化功能：智能化信息家电可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通过家 庭网关接口同制造商的服务站点相连。可以将所有的信息家电都置于内部网中，为每一 个家电设备分配一个私有i p 地址，再通过一个拥有真实口地址的家庭网关与i n t e m e t 互连。 ( 2 ) 智能化：智能信息家电可以根据周围环境的不同自动做出响应，不需要人为干 预。 ( 3 ) 开放性、兼容性：由于用户家庭的智能信息家电可能来自不同的厂商，智能信 息家电平台必须具有开发性和兼容性。 ( 4 ) 节能化：智能信息家电可根据周围环境自动调整工作时间状态，从而实现节能。 ( 5 ) 易用性：由于复杂的控制操作流程已由内嵌在家电里的控制器解决，因此用户 只需了解非常简单的操作。 1 1 4 信息家电可以提供的服务 ( 1 ) 远程控制和查询：通过远程的电脑、电话、手机等便可以对家中的电器进行操 作和工作状态的查询【l 。 ( 2 ) 消费电子产品的智能控制：根据主人的生活规律和生活习惯，自动学习常用的 运行方式，从而大大简化操作，方便人们的日常生活【l5 1 。 ( 3 ) 交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种 主动式传感器( 如温度、声音、动作等) 实现智能信息家电的主动性动作响应。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 家庭信息服务：例如智能冰箱可以根据冰箱里贮藏食物的情况自动生成一个购 物清单供你购物时参考，甚至可以通过网络来自动订购食物。 ( 5 ) 自动维护：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上百动下载、 更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。 1 2 信息家电的技术要点 1 2 1 家电中的模糊控制技术 为了探索人工智能，使电脑模仿人脑，进行更多的智力劳动，模糊数学便应运而生， 1 9 6 5 年美国著名系统及控制论专家、加州大学教授z e d e h 创立的模糊集合论，在电脑 与人脑之间架起了一座桥梁。 与经典控制技术、现代控制理论相比，模糊控制具有以下特点： ( 1 ) 模糊控制是模拟人的直觉或经验，用自然语言描写被控对象的输入、输出关系 及调节规则，避开了对被控对象建立数学模型的困难。 ( 2 ) 对一些很难或根本无法建立数学模型的复杂系统和长时滞、非线性、多因素交 互影响的时变系统，应用模糊控制技术可对其实施有效的闭环控制。 ( 3 ) 模糊控制具有很好的鲁棒性，对参数的变化适应性强，具有较好的抗干扰能力， 消除了常规控制系统常存在的鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 模糊控制器的设计相对较简单，开发周期短、成本低，用传统控制方法需p c 机才能完成的控制目标用一个8 位单片机就可实现，因此它具有很强的渗透性，应用前 景十分广泛。 模糊技术已广泛应用于工农业生产、工程技术、信息、医疗、气象等领域。在2 0 世 纪9 0 年代初，日本首先将模糊技术用于家电产品，不仅满足本国的需求，而且大举进 入海外市场引起广泛关注。在我国，近年来也出现了不少的模糊家电产品。现阶段 常用的一些模糊家电有电冰箱、洗衣机、空调、微波炉等。 当前，模糊技术还处在发展阶段，有待进一步完善。但可以相信，它是一项控制工 程领域的高新技术，有着诱人的发展前景和广阔的应用天地。 1 2 2 信息家电平台内部联网接口方案 家庭内部网络接口的方案是家庭网络快速发展道路上最迫切需要统一规范的方面。 直接关系到用户的实际使用和安装【l ”。 f 1 1 以太网( e t h e m e t ) 孙晓宇：信息家电的研究与设计 与其它家庭网络技术相比，以太网有两个主要优点：符合成熟的获得广泛支持的 i e e e8 0 2 - 3 标准，并且可在从1 0 - - 1 0 0m b p s 至lg b p s 的速度范围内提供可靠的数据传 输。它的缺点是安装成本高，需要特殊的布线和集线器。 ( 2 ) i e e e l 3 9 4 i e e e l 3 9 4 是一种用于信息家电和个人电脑互联的通用串行数字化接口，定义了介 质拓扑和传输协议，主要侧重于线缆连接应用，是一个硬件和软件集成标准。该标准具 有完全的数字接口，无需模拟数字的转换，减少了数据丢失率；支持热插拔，用户可以 在总线有效状态下插拔1 3 9 4 设备；具有传输速率可升级体系，1 0 0 2 0 0 4 0 0 m b p s 可在同 一总线上依照应用特性随时变更；具有灵活的网络拓扑结构，支持链形、树形的多级桥 连；同步通信方式可用于多媒体数据传输，异步通信方式可用于控制信号传输。但i e e e 1 3 9 4 不适宜长距离连接，它定义的两个相邻连接设备之间的距离不能大于4 5 米，且其 网络不能有环路存在i l 。 ( 3 ) h o m e p n a h o m e p n a ( h o m ep h o n e - l i n en e t w o r k i n ga l i a i c e ) 是一个由3 c o m 、i n t e l 、a m d 和 a t & t 等公司于1 9 9 8 年6 月发起并成立的非营利性组织，至今已有1 5 0 多家公司加入， 几乎涵盖了网络、通信、软件、硬件和消费电子的各领域。其主要出发点是使用现存的 电话线建立家居网络，它具有价格低、传输速度快、用户界面好、无需铺设新的电缆等 优点。h o m e p n a l 0 版于1 9 9 8 年秋天发布，它可为电话线连接的h o m e p n a 设备提供 1 m b p s 的传输速率。1 9 9 9 年1 2 月发布的2 0 版除了与1 0 完全兼容外，还提供了高达 1 0 m b p s 的传输速率，同时具有服务质量控制功能，并能提供实时音频、视频传输服务。 另外，h o m e p n a 还扩展了在电话线上所能连接的数字化设备的数量，在一个家电网络 上最多可连接5 0 个网络设备，并保证1 0 m b p s 的传输速率。 ( 4 ) 无线联网技术标准 目前，关于家庭无线联网的技术已有几种产品和标准，大部分都是采用2 4 g h z 、i s m 频段，其中最具有代表性的是8 0 2 1 1 、h o m e r f 与蓝牙技术三大技术标准。 i e e e8 0 2 1 l 是企业无线局域网的标准技术，它定义了三个物理层( p h y ) 和一个 公用的媒体访问控制( m a c ) 。1 9 9 9 年正式发布的8 0 2 1 l b ，运行在2 4 g h z 的i s m 频 段，其物理层支持5 5 m b p s 和11 m b p s 两个新速率，采用c c k 调制技术，支持语音、 数据和图像业务。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是目前发展最为迅速的无线通信协议，它是一种通过无线短 程链接传送语音和数据的技术开放性标准，适用于静止或者运动的环境。其目标是用无 线替代电话和笔记本电脑等设备的互连缆线，使网络更易于使用【19 】。技术特点：工作频 大连理工大学硕士学位论文 率2 4 5 g h z ，通信半径1 0 m ，可以延展到1 0 0 m ，传输速率1 m b p s ，设计适用于多种频 率的环境，使用前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 限制远程链接的频率干扰。其组成 包括语音单元，无线单元链接控制模块、链接管理部件和软件单元。 h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ) ，是专门为家庭无线局域网设计的开发性工业 标准，其目标是要在家庭区域范围内的任何地方，在个人电脑和家用电子设备之间实现 无线数字通信，为未来将大量涌现的消费电子产品的无线互联奠定基础。h o m e r f 工作 组开发了一种用于家居内部通信的无线通信协议s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s s p r o t o c 0 1 ) ，并于1 9 9 9 年1 月发布了s w a p l 0 版，随后在2 0 0 0 年1 2 月又发布了s w a p 2 0 版。s w a p 提供一个开放的家庭信息平台，使各种可互操作的消费电子设备进行无线的 音频和数据通信，以建立一个家庭无线网络，主要是利用p c 在家庭的主导作用来分配 和发布t c p i p 协议信息，解决家庭网络问题。h o m e r f s w a p 工作频率为2 4 g h z l 2 0 1 ， 最高传输速率为1 0 m b p s ，并可分别以1 0 m b p s 、5 m b p s 、1 6 m b p s 和o 8 m b p s 四种速率 进行通信，以满足不同应用的需要。 ( 5 ) x 1 0 协议 电力线载波系统是在家庭或设备内通过1 2 0 v 、6 0 h z 电功率分配系统传送信息的一 种方式，采用协议为x 1 0 。x 1 0 技术是在1 9 7 6 1 9 7 8 年开发出来的，于1 9 7 8 年生产出 第一个商用控制组件，x 1 0 协议是对电子设备进行远程控制的通信协议，适用于x 1 0 发送器和接受器之间，以家庭内普遍存在的电力线系统为通信媒体，系统铺设简单且不 用重新布线，降低了初始投入成本，因此在家庭自动化，如安全监控和电器控制等方面 得到广泛应用。在系统传输速率低和抗干扰能力差是其致命的弱点，另外系统的寻址能 力弱和传输介质单一也限制了它的可扩展性【2 lj 。 1 2 3 信息家电平台软件体系 信息家电平台的软件总体结构可分为设各驱动层、基本操作系统层、逻辑资源层、 中间件运行环境层和应用层。 f 1 1 设备驱动程序层 设备驱动程序层是根据信息家电平台不同操作系统的设备驱动规则，为应用程序提 供透明的、规范的控制机制所采用的软件接1 ：3 。由于信息家电平台的c p u 厂家众多， 各种平台的结构存在差异，给编程带来较大难度。 亿1 基本操作系统层 基本操作系统本身是一个完整的操作系统，可以直接为应用程度和上层软件提供核 心服务，应用程度可直接调用其功能，基本操作系统层的调用界面遵循p o s i x 系列标 孙晓宇：信息家电的研究与设计 准，以保证应用程序有良好的可移植性。目前的嵌入式操作系统有w i nc e 、l i n u x 、 p s o s 、o s o p e n 、q a x 等，嵌入式操作系统应当完成普通操作系统的大部分功能，如进 程管理、线程管理、设备管理、文件系统等。开放源码的l i n u x 由于具有稳定、免费和 占用资源少等优点，已受到愈来愈受到人们的重视，它非常适合作为信息家电的操作系 统。 ( 3 ) 逻辑资源层 逻辑资源层的软件均为可选择安装的模块，可根据特定的环境选用以下几种：文件 系统、t c p ，m 模块、界面系统或中文环境。 ( 4 ) 中间件运行环境层 中间件膳行环境层为应用程序提供一个相对统一的开发环境和运行环境，便于应用 程序的开发移植。中间件技术是信息家电平台软件的关键环节，目前的h a v i 、j i n i 、 u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 、j a v a t v 等家庭网络方案的技术实质，就是基于中间 件概念来完成应用功能的【2 2 】。而o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 就是实施各种 设备网络如j i n i 和h a v i 的互连和管理，集成各种数字或模拟信息家电平台，线缆调制 控制器，集线器，家用网关，报警系统，能源管理系统，消费电子，个人计算机等的控 制机构。 ( 5 ) 应用层 目前的应用层以j a v at v 或其它基于j a v a 的应用开发平台为主，其它非j a v a 平台 的厂商也正在进行j a v a 应用的嵌入，以便于实现众多的网络应用。 大连理工大学硕士学位论文 2 智能化电饭煲的设计 为了得到最佳的炊煮质量，电饭煲炊煮过程中，需要解决的主要问题往往是确定合 理的炊煮工艺流程设计方案，找到一个易于实现的控制方法，同时对异常处理采取的何 种策略，最终实现准确推算炊煮量和最佳的升温控制过程。当前的模糊控制电饭煲普遍 采用二维控制器，虽然可以较准确的推算出米量，但由于算法复杂和存储空间限制等原 因，致使米量不能细致划分，影响米饭的煮出效果，而且限制了其智能化功能的扩展。 2 1 电饭煲工作流程设计 要想做出松软香滑的米饭，必须掌握加热对象的性质及详细的加热过程，只有这样， 才能够将米中不易溶于水、难以消化的b 淀粉转变为易溶于水、易于消化的1 3 淀粉。 电饭煲作为加热对象，其特性的影响因素是多方面的，如结构、材料、发热盘的形状、 甚至是顶盖出气孔的大小对其吸热散热都有影响。当然，在电饭煲煮饭的过程中，米量 的大小对其吸热散热特性的影响是最大的，米量的大小甚至影响到烹调的工艺过程。换 句话说，电饭煲必须对不同的米量采取相应的不同的控制方案和工艺过程，才能达到期 望中的效果。所以，在其它因素( 如结构、材料、发热盘的形状、顶盖出气孔的大小 等) 一定的情况下，对米量进行模糊判断是决定控制效果好坏的关键 2 4 】。为了选取合适 的输入量进行米量的估算，首先必须确定电饭煲的炊煮工艺。 图2 1 为最佳米饭炊制底部升温曲线 2 5 】。图中显示出，米饭的炊制过程大致分为吸 水、加热、沸腾、焖饭和保温五个阶段。 温度f 图2 1 最佳米饭炊制升温曲线 f i g 2 it h eb e s th e a t i n ge k l r v eo f c o o k i n g ( 1 ) 吸水阶段( t o t 1 ) 吸水阶段的作用是在对大米进行加热之前，使大米在一定的温度下充分吸水，使大 米含水率从1 4 上升到2 5 左右，以保证米粒在加热过程中内外均匀受热，热量透到大 孙晓字：信息家电的研究与设计 米的芯部，从而使之烧成柔软鼓胀状。但是，一旦水温超过6 0 ，米中含有的1 3 淀粉开 始转化为a 淀粉，米将变成糊状。所以，一般将水温控制在6 0 以下。 ( 2 ) 加热阶段( t 1 t 2 ) 加热升温阶段把已吸足水份的米采用大功率进行加热。这样，米、水的温度迅速升 高，将较快的达到沸点。而且随着水的对流，米被均匀加热。在此阶段，必须完成米量 的判别工作，根据投入米量的多少以及温度的变化来调节加热功率。 ( 3 ) 沸腾阶段( t 2 t 3 ) 沸腾阶段是促成米粒由0 淀粉转化为n 淀粉的主要阶段，应保持一定的时间。沸腾 阶段电饭煲内的温度保持在1 0 0 的水平。大米充分吸水后，锅内的水逐渐减少，锅底 趋于干燥，当锅底的水份减少到一定程度后，锅底温度就会迅速上升，这时沸腾过程结 束。由图2 1 可见，在沸腾阶段的最后部分使锅底温度上冲，升高到1 2 5 左右，一般 根据饭量不同，控制沸腾阶段的时间和锅底部上冲温度也不同。 ( 4 ) 焖饭阶段( t 3 t 4 ) 焖饭阶段是为了让热量透到米饭的芯部，使之充分受热而内外质量趋于一致，也就 是使米芯的淀粉a 化。焖饭阶段还使大米外部的水份一部分渗透入米芯，促使内部的成 熟变化，另一部分蒸发掉，这样就使得整粒米饭内外一致。一般焖饭之后的米饭含水率 在6 9 左右。在焖饭阶段一般可采用间歇加热，目的是使锅内的温度达到焖饭的温度， 当达到一定的温度时，停止加热或小功率加热，由饭锅利用余热对米饭进行热焖，焖饭 结束后，米饭将完全成熟，无论硬度或黏度都会令人满意【2 4 1 。 f 5 1 保温阶段( 大于t 4 ) 保温阶段可使米饭维持在7 0 。c 左右等待食用【2 。 日常使用的机械式电饭煲，利用磁钢受热后磁性减弱来控制加热丝的通断。电源一 旦接通，就持续加热。达到最高温度后，开关自动断开，结束煮饭。这种电饭煲无法实 现吸水和保温过程，因而不可能实现图2 1 所示的煮饭过程，使得米饭的口感和质量较差， 也无法实现和用户之间的交互以完成各种附加功能。 普通电脑式电饭煲，一般都能够实现上述工艺曲线。但也存在不少质量问题：例如， 在低电压下，煮饭米多时，表面夹生；在高电压下，底部烧焦现象比较严重，且快速煮 饭时有米汤溢出情况：煮粥过程中，由于担心沸腾后米汤溢出，普遍保守地采用过小的 火力煮粥，在水多时，造成粥始终不沸腾，或沸腾时间极短，煮成清水粥 2 7 1 ；和用户的 交互性差，实现的功能少，使用时不方便；还有就是不能区分米种，由于各个米种在吸 水性等指标上的区别，若统一用一个固定的加热火力来进行，同样会造成米饭夹生、烧 焦，甚至根本无法煮熟( 例如什锦米) 。 大连理工大学硕士学位论文 主要解决的方法是增加内锅厚度和采用三维立体加热模式，这都会使米饭的加热更 加均匀，避免烧焦和夹生等情况的发生。另外，基于专家经验，采用模糊控制算法f 2 8 l ， 准确的判断炊煮的米量，找出在炊煮过程中出现的异常问题的处理对策，针对不同的米 种会实施不同的加热火力，都是解决上述问题的关键。图2 2 是一种国外三维立体加热式 电饭煲的煮饭过程顶底温度曲线，图2 3 是它的煲粥、煲汤、蒸煮过程顶底温度曲线。实 预热 吸水 加热 沸腾焖饭 、 约1 2 4 一 八、 ，f 锅底曲线 堕! ! q 蔓一： n心 煮饭：1 4 m i n 步一 r - 快速：5 r a i n 约6 4 锅顶曲线 约5 2 ，、，- ，- 、一 一 1 煮饭：1 3 r a i n 一 快速：1 0 m i n 1 2 8 s 一卜 主加热墨 3 2 3 2 温度控制 8 乃2 2 6 n 2 o ，3 2 i ，3 o m 占空比 图2 2 三维立体加热式电饭煲的煮饭特性图 f i g 2 2p e r f o r m a n c ec h a r to f t h er i c ec o o k e rf o rc o o k i n gr i c ef u n c t i o n 加热沸腾焖饭 粥、汤调节时问l 4 0 m i n 约1 0 0 锅底单线 ，一 5 r a i n 约6 4 l 燕煮调节时间 主加热器 蒸煮：2 0 3 2 蒸煮：5 ，3 2蒸煮：5 3 2 占空比 粥：2 0 3 2 粥：4 3 2粥：3 3 2o 3 2 汤：2 0 3 2汤：6 ，3 2汤：6 3 2 图2 3 三维立体加热式电饭煲的煲粥、凭汤、蒸煮特性图 f i g 2 3p e r f o r m a n c ec h a r to f t h er i c ec o o k e rf o rc o o k i n gc o n j e e ，c o o k i n gs o u pa n ds t e a m i n gf u n c t i o n 验中发现，由于它的内锅较厚并且采用三维立体式加热，所以在煮饭和煲粥的过程中火 力比较均匀，煮出的米饭和粥口感较好，而且未出现烧焦、夹生等情况。在程序中使用 孙晓宇：信息家电的研究与设计 模糊控制算法，即所谓的“模糊控制电饭煲”与普通电脑式电饭煲不同之处在于控制中 运用了模糊控制技术。传统控制方式中，控制效果的好坏取决于是否知道受控对象的精 确数学模型，而在电饭煲的控制中，随着烹煮的米量和水量的不同，受控对象的数学模 型变化是很大的。初始水温、环境温度和电饭煲顶盖的密封程度等参数对控制效果也有 较大影响，很难用一个精确的数学模型来描述受控对象。此外，煮饭工艺i 曳线的各个过 程，控制目标也不相同，这是传统控制方法用于煮饭和煮粥等功能的困难之处【2 7 j 。尤其 是在煮粥的过程中，由于米量和水量的不同和半导体热敏电阻的误差，当锅内水沸腾时， 锅底温度的差异可能达到l o 左右。而火力稍大一点，要溢出；火力小一点，水不开锅。 要在煮粥的l n 6 h 之内，保持最短约4 0 r a i n 的沸腾状态而不溢出，是一件相当困难的事情。 所以，即使是已经采用模糊逻辑控制的电饭煲，如果不对模糊控制策略和规则进行精心 调整，也难于达到满意的控制效果田 。 电饭煲的炊煮流程和模糊控制策略是密切相关的，在设计炊煮流程的过程中要考虑 模糊控制策略。不但如此，由于电饭煲是一个家庭日用品，所以要考虑到各种异常情况 的发生，炊煮流程中要有这些异常情况的对策。经过对各种电脑式电饭煲进行测量分析， 结合已有的一些经验，本着控制算法易于在程序中实现的原则，针对炊煮模式，确定出 炊煮流程如图2 4 所示。 结束 | | 焖饭藏保温 一i 一 庸部墨鹰”l 卜拂腾维持阶段 l 丑r m ，沸腾控蝴 卜r o p ：上蓝控制l 1 5 m n 结囊1 ! i 异常：常温对策 b t mr8 3 2 t o p ：o f f ! 拦；! 冈鬻君i t o p ：上监控制2 。1 一 ，。；。 8 4 。4 ” 竺坐下孺瓤b t m ，0 nr i 忑i 婴，! 翌一 綦止量判定+ l 嗳术时问蛏过 f 1 品 | ；b t m ：霹本控制卜一 t o p ：o f f i 经过 开始 图2 4 电饭煲煮饭流程图 f i g 2 4t h ec o o k i n gp r o c e s sf l o wo f t h e r i c ec o o k e r 在此流程中有以下异常情况的对策： ( 1 ) 用热水煮饭，即“热水冷锅” ( 2 ) 做完饭后，又立刻做第二锅饭，即“热锅冷水” 剖圈盂翮一蓦羹豁 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 加热盘上有米 ( 4 ) 做饭过程中开顶盖 ( 5 ) 水量过多 ( 6 ) 水烧干 在本流程中，相对于传统的炊煮流程增加了等待阶段，目的是对开始煮饭时电饭煲 的初始状态进行判定。开始煮饭时水和锅的状态并不一定是一致的，有可能是“热锅冷 水”，或是“热水冷锅”。