家用智能豆浆机的设计

家用智能豆浆机的设计PAGE58PAGE570前言豆浆是很多人经常和的非常健康又经济的食品，它已经逐渐成为了大众们相当欢迎的食物。豆浆在制作的工程中大致可以分为两个主要的流程将豆子打碎磨成浆和对豆浆进行加热。在以前制作豆浆的过程中大部分都是将这两个过程相互分离的，首先是将豆子粉碎成浆接下来再对豆浆进行加热煮豆浆。在绝大部分情况下传统的豆浆制作过程面临着制造过程复杂、豆浆的产出率很低，而且在对豆浆进行加热煮浆的过程中容易出现溢出和加热的时长不容易控制等限制。智能型豆浆机一般情况下是由微机进行模糊算法的控制，这些微机使用的控制算法主要是模仿人的操作工程，它能够实现豆浆的磨浆和加热进行煮浆。一般情况下绝大部分的智能豆浆机都是采取高速串励电机、加热管、网罩、感温碳棒、防溢电极、单片机控制面板、控制按钮以及声光报警器件等一些组件所组成的。高速串励电机的主要用处是粉碎豆子将其打成豆浆，加热管对豆浆加热，感温碳棒用处是测量水温，防溢电极的用处是避免豆浆在加热的过程中发生溢出，蜂鸣器和双色灯主要用处是进行声光报警，控制面板可实现智能豆浆机的可视化操作，模糊控制中各个组件按步骤就就可以完成豆浆的加工。另外智能豆浆机在很多情况下还会使用软硬件进行抗干扰的功能，用于进一步提高和增强豆浆机系统工作的稳定性。在硬件部分使用滤波电路实现抑制干扰源的需求，WDT监控电路主要用处是防止干扰导致的程序运行以及死机现象出现。软件上一般情况下是使用填码、指令冗余等有关的技术配合着硬件部分进一步提高豆浆机整个系统的抗干扰能力。1概况本章主要描述了对在智能家居中占重要地位智能豆浆机，比较国内外智能家居的发展现状，并对智能豆浆机这一中国企业拥有自主知识产权的家用小电器的发展进行了细致的描述，进而提出了家用智能豆浆机的设计方案和预期目标。1.1研究目的和意义国民经济的发展使得社会大众的生活水平也得到了很大的提升，智能厨房电器也开始在广大家庭中普及并得到了广泛的使用。与传统的厨房电器相比智能厨房电器拥有安全、方便、快捷、智能化和个性化等比较明显的优势，在提高大家的生活水平以及生活质量等方面发挥着巨大的作用，在人们对健康的关注度越来越高，现在相当一部分的家庭都选择在家里自己制作豆浆，这也对带动整个豆浆机特别是智能豆浆机方向市场的发展起到了相当大的推动作用。现在的豆浆机行业发展相当快速，一大部分的消费者已经接受了自己制作豆浆的方式，豆浆机也随着自己制作豆浆整个观念的蔓延普及到了无数家庭的厨房。根据相关的数据统计发现，豆浆机“家庭拥有率”在许多的房小家电中后来居上，已经到了第四的位置。豆浆机的磨浆工艺技术也在发展的过程中历经了“网罩-无网”、“刀片结构”、“智能”等等一系列不同的过渡阶段。1.2国内外研究现状豆浆机是中国的企业开发出来的，中国企业对豆浆机拥有自主知识产权，这在世界的家电发明历史中是相当少见的现象，并且豆浆机刚刚进入市场便获得了相当大的发展，是一个非常具有潜力的家电方向。2010年5月21日，中国家用电器协会在北京公布的《2009年豆浆机行业发展报告》，中国家用电器协会发布这个报告的主要目的有3个：一是引导生产企业关注消费者诉求，开发出更适合消费者市场的新产品；二是引导消费者关注产品的主要使用价值，理性消费，健康消费；三是让潜在的投资者了解行业基本情况，寻找进入行业的产品和市场的机会。虽然许多中国人喜欢喝豆浆，虽然九阳1994年就开发出全球第一台自动豆浆机，但是直到二十年后的2006年的时候，豆浆机生产和制造行业的规模总体上来说还是相对比较小的，不光规模比较小而且每年豆浆机行业的增长速度也是十分的缓慢基本上也就是只有九阳一家在“孤军奋战”。当2008年的时候，“三聚氰胺”的事件爆发之后，豆浆机行业不管是生产制造还是消费市场都得到了巨大的快速发展，很快很多的投资者便被这个行业所吸引。随着有关智能相关的技术的不断发展和快速进步，智能家居和智能家电必然会越来越多的受到各界的关注。如今在市场上带单片机控制的智能厨房小家电产品琳琅满目，智能豆浆机的更新速度快，市场竞争也越来越激烈，作为设计者必须考虑采用尽可能少的硬件，缩短开发周期，加入更多的智能化元素，以达到降低成本、提高智能化水平的要求，为人们的生活带来更多的方便。1.3研究的主要任务和预期目标本设计基于单片机开发一款智能豆浆机，由单片机最小系统、WiFi模块、步进电机模块、温度检测模块和移动控制端组成。移动控制端可以嵌入手机微信，向WiFi模块发送控制命令，单片机最小系统控制WiFi模块和步进电机模块工作，当单片机循环获取到WiFi模块接受的控制端发送的启动命令时，单片机即开启模拟豆浆机工作的电机开始工作；当单片机获取到WiFi模块接收到控制端的停止命令时，单片机即停止步进电机的工作；如果豆浆机未接收到移动端发送的停止指令，当温度检测模块检测到豆浆温度达到设定值后，即自动停止豆浆机工作，防止温度过高导致豆浆变焦或者长时间加热豆浆变干，这样即使在用户忘记停止步进电机工作时，步进电机也不会一直工作下去消耗过多的电能或者因豆浆机长时间工作导致的危险，从而达到更节能和更安全的效果。本设计拥有功能比较强大，功耗相对比较低，操作相对容易简单等优点。用户通过手机便可轻松进行远程控制，在程序中加入了温度检测部分，即使用户在启动豆浆机工作后忘记关掉豆浆机，程序也会在温度达到设定值后，自动关掉豆浆机，达到比较好的节能和智能效果。2研究方式与思路关于家用智能豆浆机的设计，要预先选择合适的方案，本章主要介绍本设计的总体方案和思路，并对所采用方案的可行性进行了论证。2.1主要设计思路近年来由于科学技术的突飞猛进和人们对更高的生活质量的追求，智能家居开始兴起，智能厨房家电产品也已经进入了千家万户。本设计实现的就是智能厨房家电中的家用智能豆浆机，为豆浆机配置一个核心控制器，在手机或者其他的移动设备上安装控制豆浆机的客户端，移动端通过客户端向豆浆机发送控制信号，豆浆机接收客户端发送的指令后，根据指令做出相应的操作，用步进电机模拟豆浆机的工作过程，并在豆浆机中加入温度检测模块和浓度检测模块，如果豆浆机长时间未接收到客户端发送的停止指令，温度检测模块检测到豆浆的温度已达到设定值或者豆浆的浓度值达到了设定的值后，将自动停止豆浆机的工作，达到节能环保、降低危险和智能化的效果。豆浆机的控制器作为整个系统的核心，可以选择使用比较普遍的单片机，通常情况下各种型号的单片机都可以完成控制工作，比如STC系列，STM32系列，DSP等。2.2主要设计方案依据家用智能豆浆机的设计思路构建基于单片机的智能豆浆机控制框架，如图2-1所示。从图2-1可以看出，设计方案完全按照设计思路设计。手机上的客户端通过微信绑定设备，首次联网后可在云端保存网络密码不需要二次输入，联网后客户端如果和豆浆机处于同一局域网下，可直接通过网络控制豆浆机，如果不在同一局域网下，客户端根据控制协议向云端发送控制指令，云端定位设备后，将指令发送给设备；WiFi模块用于接收来自云端或者客户端的指令协议，可选用集成的WiFi模块，减少开发的成本，提高稳定性；单片机最小系统作为整个智能系统的控制核心，主要的作用是读取WiFi模块接受到的指令，并根据指令做出相应的控制操作；步进电机模块作为模拟智能豆浆的工作工程，由单片机根据WiFi模块接受到的指令控制启动和停止；温度检测模块主要用于检测豆浆的温度，浓度检测模块主要用于检测豆浆的浓度，如果智能豆浆机远程启动后长时间未关闭，温度检测模块检测到豆浆的温度达到了设定值或者浓度检测模块检测到豆浆的浓度达到了设定值后即控制豆浆机电机关闭，既可以节约电能，又可以降低智能豆浆机长时间工作过热而引起的危险，体现出家用智能豆浆机控制系统的优势所在。图2-1家用智能豆浆机控制框图Fig.2-1Homeintelligentsoybeanmilkmachinecontrolblockdiagram3硬件电路的设计本章主要对家用智能豆浆机硬件电路的设计进行介绍，包括豆浆机的核心控制器STC89C52单片机、接受客户端控制指令的WiFi模块、模拟豆浆机电机工作的步进电机模块以及用于豆浆温度检测的温度检测模块和浓度检测的浓度检测模块。3.1控制器的选择本次课题研究所选择的单片机型号为STC89C52，图3-1所示为系统的硬件框图，下面进行具体介绍。图3-1系统的硬件框图Fig.3-1Hardwareblockdiagramofthesystem3.1.1STC89C52单片机介绍图3-2为STC89C52单片机控制电路图。图3-2单片机控制电路图Fig.3-2MCUcontrolcircuitdiagram时钟电路：STC89C52用了一个具有高增益的反相放大器组成了一个振荡器的结构，这个具有高增益的反相放大器的输入口与输出口分别为RXD与TXD。时钟的生成类型有两种，分别是内部生成和外部生成两种情况。内部生成类型的时钟电路如图3-3(左)所示，在RXD与TXD上连接了外面的定时元器件，内部的振荡器就可以生成自激振荡。定时元件一般情况下是使用石英晶体和电容构成的并联谐振电路。晶体振荡频率可以在1.2~12MHz的范围内可以选择，电容值在5~30Pf的范围内变化,电容的值的大小能够起到对频率的微调的效果。外部生成类型的时钟电路如图3-3(右)所示，RXD和TXD上连接外面的振荡器。使用的外部振荡器生成的信号并没有什么特殊的要求，仅仅需要确保他的脉冲宽度足以，绝大多数情况下是频率低于12MHz的方波信号就可以。在单片机内部的时钟生成器能够把产生的频率进行二分频，产生一个二相时钟P1和P2。图3-3内部方式(左)和外部方式(右)时钟电路Fig.3-3Internalmode(left)andexternalmode(right)clockcircuits复位及复位电路：复位是对单片机进行的初始化工作。进行复位的工作后也会对另外的寄存器产生效果，这些寄存器的状态如表3-1所示。表3-1寄存器复位状态Tab.3-1Registerresetstate寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H这个操作的主要作用是把PC的状态设置为0000H，这样就可以使单片机从0000H地址处开始运行写入的程序。不仅仅是在单片机开始运行程序时系统需要进行初始化工作，当单片机的程序运行出现错误或由于人为的操作失误导致系统进入了死锁状态需进行复位重启。RST引脚是在单片机中作为了复位信号的输入口。高电平可以使单片机产生复位的效果，条件是这个高电平需要保持24个振荡周期(即两个机器周期)以上。如果单片机采用了6MHz的晶振，根据计算要是单片机完成复位的效果高电平必须保持超过4us的时间才行，可以生成复位信号的逻辑电路如图3-4所示。图3-4复位信号逻辑电路Fig.3-4Resetsignallogiccircuit一个完整的复位电路往往要包含芯片内、外这两大部分。外部电路生成的复位信号(RST)被作为施密特触发器的输入，然后再经过片内的复位电路在每个机器周期的S5P2时间点将施密特触发器的输出做采样，最后才能获取完成内部复位工作所必要的输入。图3-5上电自动复位(左)、按键电平复位(中)和按键脉冲复位(右)Fig.3-5Poweronautomaticreset(left),keylevelreset(middle)andkeypulsereset(right)对单片机进行复位的工作有上电自动复位和按键手动复位两种。上电自动复位是依靠单片机外部的复位电路上面的电容的充电来完成的，其电路如图3-5(左)所示。这样的结构在1ms之内的Vcc的升高时长就能够完成自动上电复位功能，也可以理解为在接通电源时就可以完成单片机的复位工作。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3-5(中)所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3-5(右)所示。STC89C52主要功能如表3-2所示。表3-2STC89C52主要功能Tab.3-2STC89C52mainfunction主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2WiFi模块的选择本设计所使用的WiFi模块为ESP8266无线WiFi模块，在下面的章节中对此模块做详细的描述。3.2.1WiFi模块介绍ESP8266WiFi模块是一款嵌入式的无线网络模块拥有非常高的高性价比，能够达到智能电网、楼宇自动化、安防、智能家居、远程医疗等需要完成物联网应用的需求。ESP8266提供了高集成度的WiFi解决方案，具有低功耗、设计紧凑、性能可靠等特点。它提供了一个独立且完整的WiFi网络连接的单独的系统，可以单独工作完成联网的任务，也能够作为一个单片机系统中的一个网络连接模块接入到单片机上。当此模块载入了应用并且在整个设备中担任处理器的角色时，它可以从从flash中开始工作。它内部拥有可以提高系统工作性能，并且降低内存用量的高速缓冲存储器。如果ESP8266在系统中起到无线网络连接时的适配器的角色时，它能够被连接到各种类型的微型处理器中，并且它在接入微型处理器时连接非常简单，仅仅是将SPI/SDIO接口或者I2C/UART口接到单片机上就可以了。不但拥有WiFi连接的能力，ESP8266d的内部还拥有TensilicaL106钻石系列的32-bit处理器和一块片上的SRAM，拥有非常高效的片上处理和相对来说巨大的存储容量。ESP8266能够利用GPIO口连接各种传感器和一些不同的设备，能够在很大程度上减少开发成本，并且其在运行程序的过程中保证占用最少的系统资源。ESP8266具备了非常高的集成度，包括天线开关，功率放大器，低噪声接收放大器，滤波器和电源管理模块。要实现网络连接功能仅仅需要非常少的外部电路，这也在很大程度降低了占用PCB板上的空间。利用了ESP8266模块所组成的开发体系拥有在睡眠和唤醒这两种模式间迅速转换的节能模式、配合低功率操纵的自适应无线电偏置、前端信号的处理能力、快速故障排除和消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVDS/LCD干扰的无线电系统共存特性等明显的优势。ESP8266的封装方式是QFN32-pin，管脚的定义如图3-6所示。图3-6ESP8266管脚定义Fig.3-6ESP8266PindefinitionESP8266模组的所需要的器件仅仅是12个以内的电容电阻电感、1个无源的晶振以及1个SPIflash搭建而成。尤其是在射频部分实现了完全的内部集成不需要任何外部电路，并且在内部还拥有自动校准的能力。因为ESP8266拥有非常高的集成度的特点，这让得设计它的外部电路变得相当的简单和容易。图3-7为ESP8266的核心电路图。ESP8266模组主要包括电源部分、上电时序和复位、flash、晶振、射频、外置电阻和UART。Pin11和Pin17这两个引脚被作为了数字电源的管脚。使用数字电源的供电方式就不需要在电路中使用滤波电容了。数字电源工作电压范围为：1.8~3.3V。ESP8266拥有5个模拟电源的管脚，在里面Pin1、Pin3、Pin4给内部的PA和LNA提供电能，Pin29、Pin30给内部的PLL提供电能。模拟电源管脚的工作电压为2.5V~3.6V。在模拟电源部分尤其需要关注的是当ESP8266在Tx工作时，产生非常大的瞬时电流，这经常会非常容易的导致电源轨道塌陷，因此往往需要在模拟电源的电路中使用一个10uF的电容。此电容与0.1uF电容搭配使用。另外，Pin3、Pin4在靠近电源管脚还需要添加LC滤波电路，用于抑制高频谐波，同时请注意该电感的额定电流最好在500mA及以上。复位：ESP8266的Pin32EXT_RSTB为复位管脚。当这个管脚在低电平的时候工作时它内部必须要具备一个上拉电阻。为防止外界干扰引起的重启，建议EXT_RSTB的走线尽量短，并在EXT_RSTB管脚处增加一个RC电路。ESP8266的Pin7CHIP_EN为使能管脚，一旦这个管脚处于低电平状态时，ESP8266会下电。这个管脚同样可以当做复位管脚使用，当输入电平低于0.6V并持续200us以上时，ESP8266会重启。晶振：目前ESP8266固件可支持40MHz，26MHz及24MHz的晶振，使用时请注意在下载工具中选择对应晶振类型。晶振外部输入输出所加的对地调节电容C1、C2可不设为固定值，该值范围在6~22pF，具体值需要通过对系统测试后进行调节确定。选用的晶振自身精度需要±10PPM。外置电阻：RES12K(Pin31)需外接12K对地电阻，该电阻作为芯片bias控制电流的电阻对精度的要求比较高，建议采用12K±1%精度的电阻。UART：U0TXD线上需串联499R电阻用于抑制80MHz谐波。图3-7ESP8266核心电路图Fig.3-7ESP8266Corecircuitdiagram3.3步进电机模块的选择3.3.1步进电机模块介绍步进电机是通过将电脉冲信号转换为角位移的一种装置。对于步进电机我们可以这样理解：当向步进电机的驱动器发送一个脉冲信号时，它即能够驱动步进电机按照预先设置好的方向转动一个设定好的角度。如果要实现角位移量的准确控制可以通过控制发送的脉冲信号个数来实现，这种方法可以实现的定位拥有比较高的精度；不仅如此还能够利用脉冲信号的发送频率来实现电机转动速度和加速度的控制，这样既可以实现电机调速的效果。这本设计中所使用的步进电机及驱动板，型号28BYJ-48减速步进电机原理如3-8图：它主要是由中间的转子部分，一个永磁体以及在边上的定子构成。如果边上的定子中的某个绕组接通电源后，它将生成一个特定方向的电磁场，假如定子通电后产生的磁场的方向和转子的磁场方向不是在一条直线上，这样定子和转子就会在磁场的作用下产生使得定子转动一个扭力。按照一定的方式改变定子上绕组的磁场，就能够实现控制步进电机正转和反转的目的(比如通电次序为A->B->C->D正转，反之则反转)。如果使边上的定子的磁场转换的时间间隔发生改变，就能够实现控制步进电机的转速的效果了，这就是步进电机的驱动过程，内部构造都是如此。图3-828BYJ-48减速步进电机原理Fig.3-828BYJ-48principleofdecelerationsteppingmotor1、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度，以28BYJ-48四相五线步进电机为例，步距角为5.625度图3-9步进电机参数Fig.3-9Stepmotorparameters3.3.2步进电机模块的控制图3-10步进电机驱动电路设计Fig.3-10Steppermotordrivecircuitdesign步进电机在工作的时候需要比较大的驱动电流，仅仅依靠单片机输出的电流是无法直接驱动其工作的，在绝大多数情况下都是利用ULN2003达林顿阵列来驱动步进电机工作。3.4温度检测模块的选择本设计需要温度检测模块用于检测豆浆机中豆浆的实时温度，温度检测模块中最重要的部分便是DS18B20这个集温度检测和模数转换的传感器了，下面对DS18B20的使用方法和测温原理进行详细的描述。3.4.1DS18B20温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产出的第一款可以实现“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，性能高，抗干扰能力强，易配微处理器等特点，它内部拥有模数转换的模块可以将测量到的温度模拟信号转换为数字信号后进行输出。测量的温度范围是-15℃~125℃，测温误差0.5℃。可以达到的测量温度的分辨率为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。对热电偶温度传感器来说该项目实现的过程为：靠光敏电阻检测光照的大小，光的改变最终改变电阻大小，给电阻外加一个电压，就改变了电压的大小，再用PCF8951AD转换器件检测电压的变化并转换为数字信号，将转换后的数字信号发送给单片机进行下一步的处理例如实现相应的控制任务或者数码管等不同显示模块的显示等。DS18B20实现测温和模数转换的过程相比较而言还是比较简单容易的，它将测温和模数转换都集成到了传感器内部也就是说单片机能够直接从DS18B20的数字信号输出口直接获取检测到的温度值，真正意义上实现了测温的数字化。硬件电路图如图3-11所示。图3-11DS18B20硬件原理图Fig.3-11DS18B20hardwareschematicDS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，唯一不同的地方是分辨率不同时读取到的温度值不同，温度转换的效率也有了很大的提高由之前的2s到现在750ms。控制温度系数的晶振在温度发生改变时会产生比较明显的波动，温度系数的晶振生成的脉冲信号输入了计数器2。计数器1和温度寄存器一开始设置在-55℃所对应的基数值。计数器1可以根据低温系数晶振生成的脉冲信号执行减法计数，一旦计数器1的设定好的被减到0的时候，温度寄存器的值将进行加1的操作，计数器1再一次被重新装入设定好的预定值，重新执行上述的操作，如此循环执行一直等到计数器2的计数到0时，这个时候温度寄存器中的值也就是测量出的温度值。3.5浓度检测模块的选择本设计不仅需要温度检测模块用于检测豆浆机中豆浆的实时温度值，还需要浓度检测模块对豆浆机中的豆浆的浓度进行检测，通过豆浆的温度和浓度这两个参数判断豆浆是否已经磨好，因为液体的浓度传感器一般都比较贵，由于本设计的成本有限，所以并没有使用液体的浓度传感器进行测量豆浆的浓度，用了一个检测烟雾浓度的传感器来代替它，操作过程都是相同的，单片机循环读取温度传感器和浓度传感器的值，与设定好的值进行比对，如果浓度或者温度达到了预定值便可以停止豆浆机的工作。4系统软件的设计系统软件是按照系统硬件模块来编制的，本系统的软件编译环境是KeiluVision4，KeiluVision4用来编写代码和生成.hex文件。程序软件方面是主程序以及一些功能子程序。主程序主要完成系统的初始化，并使单片机进入循环扫描状态；子程序主要是针对各模块的功能对各模块进行驱动。4.1开发环境4.1.1KeiluVision4开发环境介绍KeiluVision4IDE是基于Windows的开发平台，包含一个高效的编译器、一个项目管理器和一个MAKE工具。4.1.2KeiluVision4开发环境使用在Windows操作系统的“开始”菜单下的“所有程序”中找到“KeiluVision4”程序，然后点击运行后看到如图4-1所示的KeiluVision4集成开发环境主界面。点击“Project”菜单下的“NewuVisionProject…”，启动一个新工程的建立。之后出现如图4-2所示的新建工程窗口，为了便于工程管理，对于每个工程可以新建一个文件夹，比如本设计新建文件夹“Milk”，进入该文件夹后再“文件夹(N)”后的文本框中输入工程名称。之后点击【保存(S)】按键，出现如图4-3所示界面，选择目标单片机的型号。图4-1KeiluVision4集成开发环境主界面Fig.4-1KeiluVision4integrateddevelopmentenvironmentmaininterface图4-2建立工程目录及工程名Fig.4-2Establishprojectdirectoryandprojectname图4-3选择单片机型号Fig.4-3Choosethesingle-chipmodel在目录树中找到“ATMEL”公司产品项，点击“ATMEL”之前的“+”号，展开目录树，在其中找到并选择“AT89C52”型号单片机，点击【确定】按键。出现如图4-4所示窗口提示是否加载启动代码。图4-4是否加载启动代码Fig.4-4Whethertoloadstartupcode点击【否(N)】按键。出现建立工程后的集成开发环境主界面。界面中左侧的项目工作区出现了“Target1”文件夹。点击“Target1”之前的“+”展开“Target1”文件夹，出现下一级文件夹“SourceGroup1”。如图4-5所示，点击“File”菜单下的“New…”，建立工程所需的文件。图4-5新建文件Fig.4-5Thenewfile在新建的文件中，编写程序后如图所示，点击“File”菜单下的“Save”，保存文件，也可以先保存文件，在编写程序，这样可以使编写程序中的关键字或常熟等以特殊颜色显示。4.2主程序及子程序设计流程本设计的硬件按照功能划分了不同的模块，软件的设计也按硬件的模块进行，下面将分别介绍主程序的设计流程和个功能子程序的设计流程。4.2.1主程序设计流程本设计主程序的设计流程是：首先初始化整个系统(包括WiFi模块、温度检测模块、步进电机模块和系统时钟等模块的初始化)，然后STC89C52单片机轮询WiFi模块接受信息的标志，如果WiFi模块接收到信息判断是启动还是停止命令，如果是启动命令，则启动电机，再判断是否豆浆温度达到了设定的阈值，如果大于或等于阈值则关闭电机，WiFi接收标志置零并继续轮询WiFi模块接收信息的标志；如果小于阈值，则继续轮询WiFi接收信息的标志，如果是关闭电机命令，则关闭电机，WiFi接受标志置零并继续轮询WiFi模块接收信息的标志。图4-6所示为本设计主函数的流程图。图4-6主函数流程图Fig.4-6Masterfunctionflowchart4.2.2WiFi模块程序设计流程本设计采用ESP8266WiFi模块接收来自移动端的命令，本设计的移动控制端可以通过微信关注的方式嵌入到手机微信，按照WiFi模块与微信云之间通信协议，$0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,100,4200#作为本设计中启动电机的命令，$0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,100,4200#作为本设计中关闭电机的命令。图4-7所示为WiFi模块的程序流程图。图4-7WiFi模块程序设计流程Fig.4-7WiFimoduleprogrammingprocess4.2.3温度检测模块程序设计流程图4-8温度检测模块程序设计流程Fig.4-8Temperaturedetectionmoduleprogramdesignprocess本设计的温度检测模块主要是由DS18B20构成，DS18B20模块中包含A/D转换器，单片机可直接读取数字化的温度值，然后在单片机中进行相应的处理和显示。在本设计中单片机中的处理为判断当前的温度值和设定的步进电机关闭的阈值进行比较，如果温度值小于设定的阈值，则函数返回，步进电机继续工作；如果温度值大于或等于设定的阈值，则函数返回后，步进电机停止工作。图4-8所示为温度检测模块的程序流程图。4.2.4步进电机模块程序设计流程本设计利用步进电机来模拟豆浆机磨浆过程，步进电机的型号为28BYJ-48，在本设计中步进电机的运行方式为四相八拍即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。图4-9所示为步进电机模块的程序流程图。图4-9步进电机模块程序流程Fig.4-9Stepmotormoduleprogramflow4.2.5浓度检测模块程序设计流程图4-10所示为浓度检测模块的程序流程图。图4-10浓度检测模块程序流程图Fig.4-10Concentrationdetectionmoduleprogramflowchart4.2.6移动端程序设计流程本设计利用的是在遥控小车里面已经开发好移动端控制界面，然后在这个移动端的基础上选择了两个自定义的按钮作为控制智能豆浆机的移动端。如图4-11所示为移动端控制界面。图4-11移动控制端界面Fig.4-11Mobilecontrolinterface5系统调试在本设计中，系统的硬件和软件的都是按模块化的方式进行设计的，所以在调试时，也是按照模块化的方式进行。首先对各模块进行调试，各模块调试完成后再进行系统调试，最后完成整个系统的调试。本章主要具体介绍了STC-ISP的使用和具体的调试过程。图5-1所示为系统的整体实物图。图中为STC89C52单片机开发板，上面连接了ESP8266WiFi模块、28BYJ-48步进电机模块、DS18B20温度检测模块和MQ-2烟雾传感器。图5-1系统整体实物图Fig.5-1Theoverallphysicalpictureofthesystem5.1各功能模块的调试在KeiluVision4IDE集成开发环境中完成代码的编写和编译后，如果没有错误就会在工程目录下生成.HEX二进制文件。打开STC-ISP烧录软件，将.HEX二进制文件烧录到单片机中便可以看效果。下面首先介绍一些STC-ISP烧录软件。在文件夹下找到“stc-isp-15xx-v6.85.exe”文件，双加该文件运行程序，出现如图5-2所示的软件界面。图5-2STC-ISP软件界面Fig.5-2STC-ISPsoftwareinterface在左上方的“单片机型号”的下拉菜单中选择单片机型号STC89C52。在“COM：”表示后的下拉列表中选择串口号，需要注意的是，这里选择的串口号必须和计算机检测到的串口号一致。点击【打开程序文件】按键，出现如图5-3所示的打开文件界面，打开工程文件夹，可以看到之前生成的.HEX文件，选中该文件，点击【打开(O)】按键。回到如图5-4所示软件主界面。注意，如果在这一操作中，打开工程文件夹后，没有发现.HEX文件，可以核对之前是否在“Output”选项卡下勾选了“CreateHEXFile”选项。图5-3打开软件操作窗口Fig.5-3Openthesoftwareoperationwindow图5-4装载程序文件后的STC-ISP软件界面Fig.5-4STC-ISPsoftwareinterfaceafterloadingprogramfiles装载程序文件后，图5-4软件主界面的右上方，出现加载的十六进制程序文件。这时，确定开发板未通电，及电源灯未点亮。点击【下载/编程】按键，可以看到在STC-ISP界面左下方显示下载信息。5.1.1WiFi模块程序调试在KeiluVision4IDE集成开发环境完成WiFi模块的程序编写和编译无错通过后，生成.HEX二进制文件，利用STC-ISP烧录软件将程序下载到单片机中进行WiFi模块接收信息的轮询，因为单片机读取到的WiFi模块接收的信息不容易观察，所以在程序中设定，如果读取到启动命令，单片机点亮开发板上绿色LED灯；如果读取到停止命令，单片机点亮开发板上红色LED灯。经过调试，实验现象跟设定一致，表示完成WiFi模块程序的调试。5.1.2温度检测模块程序调试与WiFi模块的调试类似，完成程序的开发后，利用STC-ISP软件将程序下载到单片机中进行温度检测模块温度值的轮询，将读取到的温度值显示在数码管上，与标准温度计比较，如果显示的温度在误差允许的范围内，表示完成了温度检测模块的程序调试。经过调试，温度检测模块的实验结果与预想的一致，完成温度检测模块程序的调试。5.1.3浓度检测模块程序调试与温度检测模块的调试类似，利用STC-ISP软件将程序下载到单片机中进行浓度检测模块温度值的轮询，将读取到的浓度值显示在数码管上，如果显示的浓度在误差允许的范围内，表示完成了浓度检测模块的程序调试。经过调试，浓度检测模块的实验结果与预想的一致，完成浓度检测模块程序的调试。5.1.4步进电机模块程序调试对于步进电机的调试实验现象也表较容易观察，将程序通过STC-ISP软件下载到单片机后，步进电机按照一定的转速工作表示步进电机模块调试完成。经过调试，单片机对步进电机实现了开启和关闭的操作，完成步进电机模块程序的调试工作。5.2系统整体调试完成了WiFi模块、温度检测模块和步进电机模块的程序调试后，接下来便是系统的整体调试，将各模块成程序以子函数的形式写到程序中，在主函数对子函数进行调用，经过多次修改，实现了移动端发送开启命令后，WiFi模块成功接收，单片机控制步进电机开始工作；在移动端按下停止按键，WiFi模块接收到命令后，单片机停止了步进电机的工作；在移动端不发送停止命令时，当温度检测模块或者浓度检测模块显示温度或者浓度已达到程序的预定值，单片机也停止了步进电机的工作，实现了预期的设计目标，完成系统的整体调试。图5-5所示为移动端未发送命令时，系统的状态图；图5-6所示为移动端未发送命令时，系统的状态图。图5-5移动端未发送命令时系统状态图Fig.5-5Systemstatusdiagramwhencommandisnotsentbymobileterminal图5-5移动端发送命令时系统状态图Fig.5-5Systemstatusdiagramwhenmobileterminalsendscommands6技术经济性分析本文设计的是家用智能豆浆机，近些年来豆浆机的市场不断的扩大，豆浆机也开始往智能化、信息化和自动化的方向发展，一款智能化水平比较高的优秀的家用豆浆机，不但会给家庭带来每美味的豆浆，而且因为智能豆浆机独有的很多特性，也在相当大的程度上提高了豆浆机的安全性、可操作性以及增加了相当大的环保色彩，有着非常重要的技术经济性意义。1)设计的控制器采用的是STC89C52这款性价比非常高的控制器，用这款控制器来搭建最小控制系统，仅仅需要非常少的外围电路，外围电路少也就意味着电路的集成度高，所以由这个控制器所搭建起来的最小控制系统不仅稳定性高，而且性价比极，在非常大的程度上降低了设备的成本。2)家用智能豆浆机中用于接收远程终端发送的控制消息的WiFi模块采用的是ESP8266，它具有非常高的性价比和优秀的智能化操作，它能够直接与单片机相连，不需要其他的外围电路的设计，与最小控制系统一样，集成度高意味着稳定性高，性价比高，这又在很大程度上降低了设备的成本。3)家用智能豆浆机中采用的显示模块是LCD1602显示模块，此模块不仅便于显示一定数量的字符和数字信息，而且其与其他类型的显示模块相比对最大的优势就是功耗非常低，所以它可以在很大程度上降低功耗的成本，降低使用成本。4)采用单片机作为控制器，利用C语言完成开发，设备具有极高的集成度，所以像是改进检测算法等升级改进时仅需要改进程序即可不需要对硬件进行更换，所以由极大地降低了设备的升级成本。7结论本次毕业设计的论文，描述了对智能豆浆机的设计过程，首先介绍了智能豆浆机的发展背景和意义以及目前国内外智能豆浆机的发展历史和现状，然后介绍了智能豆浆机的设计过程，包括硬件设计、软件设计和程序调试三大部分，硬件设计主要是从节约成本、环保和低功耗的角度出发进行选择，软件设计主要是按模块开发程序，程序调试的部分分别进行了分模块调试和系统的整体调试两大项工作。此次所做的智能豆浆机还有很多可以改进的地方。比如，如果时间充足，可以优化移动端的设计，使界面UI不在生硬死板，真正开发出一个移动端的App，在移动端上架可在多平台安装，真正体现出智能豆浆机的移动端的智能化；在硬件部分还可以改进一下系统的稳定性和WiFi模块联网的稳定性等，可增加一个触控面板，在面板上实现联网、控制等可视化操作，便于用户使用；软件方面可进一步优化程序，可尝试多线程操作，有利于各模块精准的实时控制。通过本次的毕业设计，使我自己对所学的专业知识有了更进一步的了解。将自己大学四年期间所学的各方面的知识融会贯通，熟练掌握，让自己知道本专业知识所应用的领域，同时使得自己对即将面对的社会有了更加自信的底气，相信在以后的工作生活中会以积极饱满的热情来迎接。致谢对于本次的毕业设计，首先要感谢知道我毕业设计的郭瑞老师，在他的悉心指导和监督下，使我按时圆满的完成了本次毕业设计。从最初的可以选择，课题确定，再到开题报告，外文翻译的书写等给了我很大的帮助，在毕业设计的过程中，也是悉心为我答疑解惑，在此表示感谢。在这里还要感谢同学在毕业设计中给与的极大帮助，解决诸多难题，正是有了他们的帮助，才让我如此顺利的完成本次的毕业设计，再次表示感谢。参考文献[1]Jos.van.der.Loop.SmartPulse;DECT-basedTechnologyforSmartHomesApplications[Z].2013第三届国际智能家居大会论坛文集,2013.[2]姜风国,刘鹏.基于AT89C52单片机的全自动豆浆机控制系统[J].烟台大学学报,2014,01:75～78.[3]杨永明.基于STC12C5A32AD的商用豆浆机控制系统的设计[J].湖北民族学院学报,2012,01:91～93.[4]岳倩倩.基于嵌入式技术的智能豆浆机的开发研究[J].青海师范大学学报,2018,02:20～24.[5]戴泽淼,王胜,梁继会.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系统的设计与实现[J].吉林师范大学学报,2015,02:87～90.[6]朱小伟.浅析豆浆机稳压管降压电路的设计方案[J].企业技术开发,2011,023:81～96.[7]张文静.全自动家用豆浆机控制系统的设计与实现[J].数码世界,2017,03:91～92.[8]龚胜鹏,冯麒运.一种智能研磨型豆浆、制糊机的设计[J].家电科技,2011,10:84～85.[9]凌志勇,方旭群.智能豆浆机的设计[J].电子世界,2003,07:29.[10]李勇,贾佳,余永海.智能豆浆机手机端应用的情感体验研究[J].设计,2016,01:130～131.[11]赵敏.智能家居遥控器:让你的生活“一键轻松”[J].质量与认证,2016,07:88～90.[12]张向峰,张强军,任宏涛.智能型豆浆机控制系统的开发[J].洛阳工学院学报,2001,04:77～79.[13]张菁.智能型全自动豆浆机的发展技术综述[J].中国新通信,2016,17:161.[14]黄敏.中国家用电器协会发布2009年行业报告豆浆机行业高速发展[J].电器,2010,06:54～56.[15]Dan.Ding,Rory.A.CooperandPaul.F.Pasquina.Sensortechnologyforsmarthomes[J].Maturitas,2011,2(69):131-136.附录A译文智能家居传感器技术DanDinga,b,∗,RoryA.Coopera,b,PaulF.Pasquinac,LaviniaFici-Pasquinad摘要智能家居是一种能够观察居民并提供主动服务的技术住宅。最近，它被作为一种潜在的解决方案引入，以支持残疾人和老年人的独立生活，并减轻家庭护理人员和卫生提供者的工作量。智能家居的主要支持功能之一是能够监控居民的日常生活活动和安全，以及检测他们日常生活中的变化。由于廉价的低功耗传感器、无线电和嵌入式处理器的可用性，目前的智能家居通常配备了大量的联网传感器，这些传感器协同处理并根据所获得的有关家庭状态以及居民活动和行为的数据进行推断。本文综述了传感器技术在智能家居中的应用，重点介绍了直接环境传感和基础设施介导传感。文章还指出了不同传感器技术的优势和局限性，并从临床、技术和伦理的角度讨论了挑战和机遇。我们建议，智能家居的感应技术应切合所有利害攸关者的实际需要，包括最终用户、他们的家庭成员和照顾者，以及他们的医生和治疗师。在将传感器广泛应用于现实生活的住宅环境并成功集成到日常生活和医疗服务中之前，有必要对智能家居传感器技术的适用性、实用性和成本效益分析提供更多的证据。介绍智能家居是指在住宅中增加传感器，以观察环境和设备/执行器，提供主动服务，以改善居住者的体验。智能家居的概念最初是为了提供方便、提高安全性和节约能源而开发的。在过去的10年里，智能家居技术越来越多地针对因年龄增长或残疾导致能力下降的人群进行针对性的使用[1-3]。这种兴趣的增加与智能家居的潜力有关，智能家居可以支持老年人和残疾人在自己的家中独立生活的能力，并减少家庭或专业护理人员有时相当大的努力。今天，全世界有许多智能家居[1-12]。这些住宅大多是企业展厅或研究实验室，不被普通居民占用，主要集中于技术能力的展示[4,7,8,12]。这些住宅中有一小部分是住宅，包括装有传感器的群体住宅，用于监视居民行为和检测异常事件[5,13]。智能家居最重要的支援功能之一，是监察居民日常生活活动和安全的能力。与获得的廉价低功耗传感器、射频芯片和嵌入式处理器,现有智能家居通常配备大量的网络化传感器协作过程和使扣除从获得的数据在回家的状态以及其居民的活动和行为。本文综述了智能家居中使用的传感器技术，讨论了不同传感器技术的优缺点材料和方法三种类型的传感器技术演示了解决的挑战的能力感知人类活动在智能家居中,包括可穿戴设备传感器在哪里的居民,直接环境组件,传感器分布式环境中,和基础设施的系统,传感器安装在现有的基础设施。居民佩戴的传感器可以嵌入衣服、眼镜、鞋子和手表中，也可以直接安装在身体上[14,15]。它们监测描述人的生理状态或运动的特征。例如，可穿戴加速度计通常用于活动识别，包括秋季探测[16]和可穿戴RFID(射频识别)读取器可用于检测与标记对象[17]的交互作用。直接环境组件通常由一组传感器和相关联的传感器网络(有线或非有线)组成，用于将数据传输到集中监控系统，在该系统中进行传感器融合和活动推断。基础设施介导的系统利用现有的家庭基础设施，如管道或电气系统，来介导事件[18]的转导。本文主要关注直接环境组件和基础设施介导的系统技术。本文献综述包括已发表的经同行评审的作品。搜索范围仅限于2000年至2010年间出版的英文期刊文章、期刊章节和会议记录。关键字搜索在PubMed、IEEEXplore或谷歌搜索引擎中进行。使用的关键词是:“智能家居”、“智能环境”、“智能环境”、“传感器技术”、“无处不在的传感”、“无线传感器网络”、“基础设施介导的传感”、“RFID”、“活动识别”、“上下文识别”、“智能设备”、“运动探测器”、“二进制传感器”、“接触开关”、“视频传感器”、“隐私”、“道德问题”。这些关键字可以单独使用，也可以组合使用。智能家庭使用的传感器技术今天，许多智能家庭采用无处不在的传感概念，其中传感器网络与处理设备网络相集成，产生丰富的多模态数据流。对这些感官数据进行分析，识别和监测居民日常生活中的基本活动和仪器活动，如洗澡、穿衣、做饭和服药。这种方法有潜力让智能家居捕捉可能反映身体和认知健康状况的模式，然后识别模式何时开始偏离个性化规范，何时出现可能表明问题或需要干预的非典型行为。直接环境遥感直接环境感知通常是基于许多简单的二进制传感器遍及整个家庭，摄像机和RFID技术。这种类型的感知可能提供对实际活动和上下文的有价值的洞察，但是伴随着实际和复杂性的代价[18]。安装和维护费用高昂，特别是在现有住宅中安装时。它也会引起隐私问题，特别是使用摄像机[20]。最后，仅使用仪表化环境还不足以检测存在多个居民时的活动。3.1.1简单的二进制传感器智能家居中常用的一种特殊类型的传感器是二进制传感器，它只是用一个数字“1”或“0”检测一个物体或运动的状态。各种类型的二进制传感器已被用于智能家居，包括运动探测器、压力传感器和接触开关。运动探测器和压力传感器通常用于检测居住者的存在和整个房子[21]的位置。例如，阿尔伯塔省的智能共管公寓使用了13个无源红外运动传感器，这些传感器分布在整个共管公寓中，用来在关键区域[12]定位居住者。TigerPlace是一个退休社区，帮助当地居民安度晚年。它在淋浴器上方的天花板上安装了一个运动传感器，检测淋浴活动[22]。日本无处不在的住宅在整个公寓地板上都安装了18cm×18cm的二元压力检测装置，以跟踪住户并检测家具位置[6]。接触开关通常安装在智能家居的门上，例如前门、柜门和电器门，以提供居住者与物体和电器进行特定交互的信息。例如，无处不在的家庭安装了131个接触开关来检测门和抽屉[6]的打开/关闭状态。马吉德和布朗通过模糊规则将接触开关和运动传感器记录下来的数据分类为六大常规活动之一，比如睡觉、准备和吃饭，以及接待访客[23]。简单二进制传感器的优点包括低成本、易于安装和低隐私问题。然而，这些传感器只提供抽象级别的信息，因此在推断活动[21]时受到限制。例如，仅仅知道内阁的状态是不可能推断出从内阁中删除了什么项目的。3.1.2摄像机摄像机被认为是高含量的传感器，它为人类的观察和计算机的解释提供了丰富的信息来源。然而，与简单的二进制传感器相比，它们通常会在存储需求和信息提取方面带来更多的技术挑战，以及隐私方面的社会挑战[20,24]。Tabar等人在一个房间里使用了一个由三个摄像头组成的网络，作为可穿戴加速计的补充，用于检测跌倒。这些相机是根据加速度计信号检测到坠落时触发的，并使用实时图像处理来分析数据和估计乘员的姿态。这种设置不仅在不需要传输视觉数据的情况下保护了居住者的隐私，而且有助于减少敏感的加速度计信号[25]引起的虚假警报。TigerPlace团队使用事件驱动的视频传感器网络跟踪步态和运动范围的相关数据，并检测跌倒[5]。为了保护居民的隐私，他们开发了算法来识别图像中移动的人并提取轮廓。PlaceLab是一个研究家庭中无处不在的计算技术的活体实验室，在他们的公寓中使用了9个红外摄像机、9个彩色摄像机和18个麦克风，它们都放在橱柜中，以及办公桌和厨房柜台等工作台面上方。图像处理算法用于从四种视频流和一种音频流中选择最能捕捉居住者行为的视频流，该视频流基于环境中的运动和相机布局。这些数据流与其他传感器数据同步，并保存到便携式磁盘驱动器[8]。3.1.3射频识别(RFID)RFID是一种技术，通过无线电波在阅读器和电子标签之间交换数据。当RFID阅读器询问这些标签时，这些标签以唯一的标识符和存储在内存中的信息进行响应。RFID标签通常有两种类型，即，没有电源的被动式标签，通常附在物件上，以侦测使用者与物件之间的互动;以及载有电池的有源RFID标签，可提供更大的范围，并可由人携带，以作个人识别。RFID技术的主要限制之一是其可靠性和稳定性，尤其是在读取液体或金属时。尽管如此，RFID标签能够放置在视线之外并跟踪多人，这使得它们非常适合智能家居。本节提供两个关于RFID标签和阅读器以及标签如何嵌入到对象和环境中以检测用户-对象交互的例子。盖特科技智能屋开发了一个智能插头系统和一个基于RFID技术的智能手表系统。在智能插头系统中，房子里的每个电源插座都配备了一个RFID阅读器，电灯或收音机等电器的插头都附有RFID标签。每当设备插入插座时，插座中的RFID阅读器读取标签并将数据发送到主计算机。计算机可以直接识别每个设备及其位置，并控制设备[26]。监测家用电器的使用可以提供有关居住者生活方式的有价值的信息，并有助于发现可能与功能下降有关的日常生活中的偏差。smarttwave系统是一种基于微波的普及烹饪系统，将一个RFID阅读器放置在工作台面下，通过RFID阅读器判断正在扫描哪个食物包，从数据库中获取烹饪指令，并根据指令[27]对微波进行自动编程。3.1.3其他传感器在智能家居中还可以部署多种其他传感器，以帮助推断活动并触发自动服务[8,22,28-30]。这些传感器通常比简单的二进制传感器提供更具体的信息，但提供的细节比摄像机少。PlaceLab使用了34个温度传感器、10个湿度传感器、5个光传感器和1个气压传感器来捕捉和调整他们的公寓[8]的内部条件。TigerPlace使用一个床上传感器，一个安装在床上床单下的气动条来检测床上的存在、呼吸(正常/异常)、脉搏(低、正常或高)和运动，并向远程护理人员报告床上的四种不安程度。他们报道了一个96岁的独居女性的案例研究，她患有严重的心脏病。当检查她在事件发生前收集的床上传感器数据时，检测到bardycardia的显著增加(每分钟1-30次的慢脉搏率)，并注意到在[22]的同一时间段内，床上所有级别的躁动都有所减少。Chen等人使用水槽附近的一个微型全方位麦克风来检测和分类浴室内发生的主要活动，包括洗澡、刷牙、洗手、冲水和小便。初步结果令人鼓舞，大多数声音类别的准确率都在84%以上。他们的目标是为护理人员和老年临床医生自动生成定制的个人卫生行为报告。显然，在像浴室这样的空间里，使用视频传感器是不被社会接受的，声音可以提供另一种信息来源[28]。3.2基础设施的系统基础设施中介系统作为一种不引人注目的、低成本的、实用的活动分类方法，最近在智能家居[31]中引起了相当大的兴趣。与在整个房子中安装简单的二进制传感器相比，基础设施中介系统需要在现有基础设施上安装一个或几个传感器，这大大降低了部署和维护[18]的成本和复杂性。但是，它可能没有提供关于活动及其上下文[32]的足够细节。Patel等人利用现有的集中供暖、通风和空调(HVAC)系统的管道系统基础设施来检测整个房屋的总体移动和房间过渡。他们在暖通空调的空气过滤器上安装了五个压力传感器，每个压力传感器都在两个方向上进行感应。所有传感器的压力变化幅度被用来识别人类在房间间活动(如一个人走过一个特定的门或打开或关闭一个特定的门)所导致的物理空间中气流的独特变化。初步结果表明，该方法可以对独特的转换事件进行分类，准确率可达75-80%。Froehlich等人开发了HydoSense，这是一种定制的压力传感器，可以安装在家庭现有的水基础设施的任何可接近的位置，比如室外水管龙头和公用事业的水槽龙头，用于活动传感。对压力的连续分析使他们能够确定正在使用水的个别固定装置，以及对正在使用的水量的估计。初步结果显示，他们能够以97.9%的总准确度识别固定装置事件，并以与公用事业供水水表[33]相当的错误率估计用水量。帕特尔等人开发了一种电力线噪声分析仪，可以插入普通的墙壁插座，检测整个家庭的各种电气事件。该分析仪可检测住宅电力线上因电气设备突然切换而产生的电气噪声以及某些设备在运行过程中产生的噪声。该系统在一个家庭中进行了数周的测试，每个家庭在5个家庭中进行了一周的测试，结果表明，他们可以学习和分类各种电子事件，准确度从85到90%不等。讨论尽管在智能家居领域有越来越多的举措，但智能家居传感器技术的临床、技术和伦理方面仍然存在挑战。临床考虑大多数已确定的关于智能家居传感器技术的研究只表明了技术解决方案的潜力或可行性。初步评估还倾向于关注这些传感器在实验室环境或有限的基于社区的[24]环境中的技术性能。随着技术进步继续使复杂的基于家庭的监测解决方案成为可能，重要的是确保智能家居中传感技术的设计和实施不仅取决于技术进步，而且取决于利益攸关方包括最终用户、护理人员和临床专业人员的实际需求。目前，该领域缺乏关于智能家居传感技术的适宜性、实用性、有效性或成本效益的广泛证据[2,24,35]。TigerPlace在一定程度上展示了实际的居民、他们的家庭成员和医疗保健提供者如何参与智能家居开发的所有阶段，包括设计、实现和测试。他们的评估模型包括观察、焦点小组和与代表性涉众的访谈。与居民举行的焦点小组会议讨论了许多问题，例如居民如何操作他们的传感器系统，如何特别方便地使用，如何适应不断变化的需求，以及如何进行维护;信息对生活方式的影响;心理因素;系统可靠性;对其准确性和性能的信任;以及对侵犯隐私的控制和关注。他们还观察了居民们如何在他们装有仪器的家中做饭，并确定安装在厨房的传感器是否干扰了日常活动，或者是否被认为是干扰[24]。Lee和Dey使用概念验证方法来确定嵌入式评估对老年人的潜在影响和有用性。他们向包括老年人、他们的照护者、医生和治疗师在内的利益相关者展示了能够监测老年人日常活动(如服药、做饭和使用电话)执行情况的传感系统的场景。他们还提出了利益相关者与假设,这些系统可以采集到的数据在过去的一年,问如何将这些数据将有助于各种利益相关者实现各自的目标,例如,获得的意识变化的能力,诊断疾病,或应用解决方案解决问题[36]。根据收到的反馈，他们开发了三个传感系统来跟踪药物消耗、电话使用和咖啡机使用，并将该系统部署到两个老年人的家中，为期四个月。这篇综述文章的作者目前正在参与为受伤的战士设计一个概念住宅。为了了解受伤战士的需求和偏好，我们进行了大量的实地工作，包括焦点小组和对受伤战士、他们的家庭成员以及与受伤战士一起工作的临床专业人员的采访。收集到的信息被用来指导概念住宅的技术设计，在那里传感器正在被选择和测试。4.2技术因素从技术的角度来看，大多数已确定的研究集中于监测家庭内部发生的活动或检测日常生活中的变化。了解日常任务的执行情况(如时间延迟、缺少步骤、可恢复或不可恢复错误)的工作是有限的[36,39]。这项评估传统上依赖于实验室或家庭环境中临床医生的观察，所获得的性能信息对早期发现和治疗功能减退的[40]非常重要。Cook和Schmitter-Edgecombe[39]开发了一个智能系统，该系统不仅可以识别那些活动在他们的智能家居测试床上执行，但也确定执行活动中的错误和不一致。Lee和Dey跟踪了两个老年人服药和使用电话的各个步骤，历时四个月。为了追踪服药的步骤,他们使用现成的碉堡增强与接触开关知道哪个门都打开了,多长时间,和一个加速度计监控个人如何处理碉堡,碉堡是否倒(一个常见的策略消除了药丸,老年人,因为他们的手指经常不舒服地装进盒子)[36]。另一个技术挑战是，目前的工作大多局限于单住户的情况下[41]。随着智能家居技术进入现实生活的住宅环境，特别是临床环境，这一限制必须得到充分的解决。RFID技术可能是解决方案的一部分，但它要求人们携带标签。日本的AwareGroupHome专为多名痴呆症患者设计，他们开发了一套RFIDmat传感器系统，可以为每个人检测出群体家中特定位置的事件。他们将无源射频识别标签嵌入居民的拖鞋中，并在地毯的特定位置(如卫生间前和走廊沿线)植入天线片。该系统能够为每个住院医生生成一个活动日志，并将不典型行为告知护理人员[13]。坦帕退伍军人医院(TampaVAHospital)最近启动了一个项目，包括改造5套公寓，为10名患有创伤性脑损伤的退伍军人提供先进的患者跟踪和定位系统、设备传感器和屏幕，以提供视频剩余物。为了跟踪工作人员和病人，使用了一个商业实时定位系统(UbisenseLtd.，Cambridge,UK)，每个人都戴着一个腕带，可以传输超宽带无线电信号连接到嵌在墙上的固定传感器网络。标签的位置是根据信号的到达延迟和到达角来确定的。即使有RFID或类似的技术来支持个人身份识别，当前基于单住户案例的活动识别算法设计也不能简单地推广到多个个体上，尤其是当多个居民在场且活动交织在[42]中时。Singla等人设计并评估了建立活动概率模型的算法并使用它们来识别复杂情况下的活动，即多个居民在相同的环境[42]中并行执行活动。还有其他技术问题，如实时数据分析、从大量感官数据生成突出摘要、传感器不确定性管理以及长期可靠性、鲁棒性和维护问题。在传感器技术获得成功之前，必须解决这些技术问题部署到现实生活的住宅设置[43]。4.3道德的考虑传感器技术能否成功地融入日常生活，在很大程度上取决于终端用户对该技术的接受程度及其对日常生活的影响。隐私是智能家居中传感器技术最常引起关注的问题[20,44]。Demiris采访了居住在社区的老年人及其家人非正式的照护者和家庭成员对他们感知的隐私和干扰的关注与直接环境感知和基础设施感知技术有关。大多数老年人表达了他们对基础设施传感技术的偏好，因为这对游客来说似乎不那么明显，而且作为一个人自身弱点的持续提醒，这种技术并不明显。有几位与会者认为，直接环境系统可能能够根据实际上下文提供更详细的信息，如果它支持真正的需要[32]，则不会介意它们的可见性。TigerPlace团队采访了一些年纪较大的成年志愿者，询问他们是否愿意接受摄像机的监控。他们发现，尽管这些志愿者原则上不喜欢相机的概念，但他们更喜欢参与者在观看自己的视频[24]时，通过定制算法提取出来的不那么具有侵入性的模糊轮廓。访问数据集是另一个常见的问题。Lee和Dey对两名老年人进行了为期四个月的案例研究，发现案例研究中的用户愿意与他们的亲属分享收集到的数据。然而,他们担心别人会误解他们看似erroroneous但可辩解的行为不安全的[37]。结论随着残障人士数量的增加，以及不断增长的老年人口寻求适当的老龄化，智能家居技术可能会提供一个解决方案，以减轻家庭护理人员和卫生保健提供者繁重的护理工作量，并支持独立生活。然而，对目前智能家居传感器技术的综述表明，大多数已确定的研究只是证明了技术解决方案在实验室环境中的可行性。智能家居的传感器技术必须满足所有利益攸关方的实际需求，包括最终用户、他们的家庭成员和护理人员，以及他们的医生和治疗师。我们还没有足够的证据表明，智能家居的传感器技术能够有效地检测日常生活中与功能或认知衰退相关的变化，并帮助检测身体状况的变化。我们也不知道哪种传感器组合最适合特定的残疾群体或个人，以及如何适当地控制、总结和向不同的利害攸关者提供收集到的信息。在传感器技术能够成功地集成到人们的实际家庭或临床环境之前，需要解决一系列的技术、临床和伦理挑战。附录Ｂ外文文献SensortechnologyforsmarthomesDanDinga,b,∗,RoryA.Coopera,b,PaulF.Pasquinac,LaviniaFici-PasquinadAbstractAsmarthomeisaresidenceequippedwithtechnologythatobservestheresidentsandprovidesproactiveservices.Mostrecently,ithasbeenintroducedasapotentialsolutiontosupportindependentlivingofpeoplewithdisabilitiesandolderadults,aswellastorelievetheworkloadfromfamilycaregiversandhealthproviders.Oneofthekeysupportingfeaturesofasmarthomeisitsabilitytomonitortheactivitiesofdailylivingandsafetyofresidents,andindetectingchangesintheirdailyroutines.Withtheavailabilityofinexpensivelow-powersensors,radios,andembeddedprocessors,currentsmarthomesaretypicallyequippedwithalargeamountofnetworkedsensorswhichcollaborativelyprocessandmakedeductionsfromtheacquireddataonthestateofthehomeaswellastheactivitiesandbehaviorsofitsresidents.Thisarticlereviewssensortechnologyusedinsmarthomeswithafocusondirectenvironmentsensingandinfrastructuremediatedsensing.Thearticlealsopointsoutthestrengthsandlimitationsofdifferentsensortechnologies,aswellasdiscusseschallengesandopportunitiesfromclinical,technical,andethicalperspectives.Itisrecommendedthatsensortechnologiesforsmarthomesaddressactualneedsofallstakeholdersincludingendusers,theirfamilymembersandcaregivers,andtheirdoctorsandtherapists.Moreevidenceontheappropriateness,usefulness,andcostbenefitsanalysisofsensortechnologiesforsmarthomesisnecessarybeforethesesensorsshouldbewidelydeployedintoreal-worldresidentialsettingsandsuccessfullyintegratedintoeverydaylifeandhealthcareservices.IntroductionAsmarthomereferstoaresidenceaugmentedwithsensorstoobservetheenvironmentanddevices/actuatorstoprovideproactiveserviceswiththegoaltoimprovetheoccupant’sexperience.Thesmarthomeconceptwasoriginallydevelopedwiththeprimaryfocusonprovidingconvenience,improvingsecurity,andsavingenergy.Overthepastdecade,smarthometechnologyhasincreasinglytargetedusebypeoplewithreducedcapabilitiesduetoagingordisability[1–3].Thisincreaseininterestisrelatedtothepotentialforsmarthomestosupporttheabilityofolderadultsandpeoplewithdisabilitiesto