整体智能厨房控制及其故障诊断系统的设计与实现.pdf

中南大学硕士学位论文整体智能厨房控制及其故障诊断系统的设计与实现姓名：徐德明申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：王伟平;易春阳20071115摘要智能家电是未来白色家电的明星产品，但是在现阶段却受制于生产成本过高，市场需求少，标准不统一等问题，发展速度缓慢。电子设备故障诊断技术是一门新兴的交叉学科。本文在介绍整体智能厨房控制系统设计的基础上，根据实际运行测试过程中出现的故障难以确定，提出了一种基于多传感器信息融合的整体智能控制系统故障诊断方法并验证了其可行性，最后应用软件工程思想，设计实现了故障诊断软件。本文完成的主要工作如下：1 针对目前厨房电器不能集中控制、操作繁琐的特点，设计了一个集智能化、信息融合一体的整体智能厨房。该系统经济、可靠，有较强的通用性，满足现阶段的市场需求。2 针对整体厨房控制电路的容差、非线性及元件参数相互影响而出现的诊断不确定性问题，将多传感器信息融合技术应用到电子电路的故障诊断之中，对整体厨房控制电路进行了D S 证据融合故障搜寻的实验研究，并针对D-S 证据理论的不足，提出了改进D S 证据组合规则的方法，较好地解决了电子电路故障诊断的不确定性问题。3 应用软件工程思想，设计实现了故障监控软件，可以方便对整体厨房控制电路故障进行监控。软件系统采用C 5 1 语言进行开发。关键词：智能家电，故障诊断，多传感器，信息融合，D S 证据理论A BS T R A C TT h es m a r ta p p l i a n c e sw i l lb et h es t a rp r o d u c ti nt h ef u t u r e，b u ti tw a sr e s t r a i n e da c t u a l l yi nt h ep r e s e n ts t a g e A st h ep r o d u c t i o nc o s te x c e s s i v e l yi sh i g h，t h em a r k e td e m a n dw i l lb ef e w,a n dt h es t a n d a r dn o tu n i f i e d，i td e v e l o p e ds l o w l y T h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n td i a g n o s et e c h n o l o g yi sa l ln e wa n dd e v e l o p i n gi n t e r-o v e r l a p p i n gs t u d i e s T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e s i g no fo v e r a l li n t e l l i g e n c ek i t c h e n A c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t yt h a tm a l f u n c t i o na p p e a r si nt h ea c t u a lm o v e m e n tt e s tp r o c e s s，i tp r o p o s e dam a l f u n c t i o nd i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h em u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n，a n dc o n f i r m e di t sf e a s i b i l i t y F i n a l l y,u s i n gt h et h o u g h to fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g，i ti m p l e m e n t e dt h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i ss o f t-w a r e T h i sa r t i c l eo b t a i n st h em a i na c h i e v e m e n ti Sa sf o l l o w s：1 I nv i e wo fc h a r a c t e r i s t i co ft h ep r e s e n tk i t c h e ne l e c t r i ca p p l i a n c et h a tc a nn o tb ec o m m o nc o n t r o l l e da n dt e d i o u so p e r a t e d，i td e s i g n e da no v e r a l li n t e l l i g e n tk i t c h e nt h a th a si n f o r m a t i o nf u s i o n T h es y s t e mi se c o n o m i c，r e l i a b l ea n dh i g h l yv e r s a t i l e I tc a nm e e tt h em a r k e td e m a n dt h i ss t a g e 2 I nv i e wo ft h ed i a g n o s i su n c e r t a i n t yq u e s t i o nw h i c ht h eo v e r a l lk i t c h e nc o n t r o lc i r c u i tt h et o l e r a n c e，t h en o n l i n e a r i t ya n dt h ep a r tp a r a m e t e ra f f e c tm u t u a l l ya p p e a r,a p p l i e dt h em u l t i-s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yt ot h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i so fe l e c t r o n i cc i r c u i t，a n dc o n d u c t e dt h eD-Se v i d e n c ef u s i o nm a l f u n c t i o ns e a r c he x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h eo v e r a l lk i t c h e nc o n t r o lc i r c u i t A i m sa tt h ei n s u f f i c i e n c yo fD Se v i d e n c et h e o r y,i tp r o p o s e dh em e t h o do fi m p r o v e dD-Se v i d e n c ec o m b i n a t i o nr u l e，a n ds o l v e dt h eu n c e r t a i n t yp r o b l e mo fe l e c t r o n i cc i r c u i tm a l f u n c t i o nd i a g n o s i sw e l l 3 U s i n gt h et h o u g h to fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g，i td e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h em a l f u n c t i o nm o n i t o r i n gs o l,w a r ew h i c hc a ne a s yt om o n i t o rt h em a l f u n c t i o n T h es o f t w a r es y s t e mu s e sC 51l a n g u a g et od e v e l o p K E YW O R D S：s m a r ta p p l i a n c e s，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s，m u l t i s e n s o r,i n f o r m a t i o nf u s i o n，D Se v i d e n c et h e o r y原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名牟垡L 日期：2 竺互年卫月日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：牲导师签名塑降日期：粤年卫月日第一章绪论1 1 智能家电的国内外发展现状随着人们生活水平以及世界科技水平的不断提高，家用电器这种昔日的奢侈品已经成为现在的普及性消费品，进入了千千万万老百姓的家庭。然而，家庭内日益增多的家用电器在减轻了人们家务负担以及丰富了人们娱乐生活的同时，也带来了家电操作烦琐以及难以科学管理等问题。事实上，这些问题一早已经引起了一些欧美发达国家的研究人员的注意。自上世纪的7 0 年代起，美国、英国、法国、日本等国家的科学家与工程师就开始研究如何以一种统一的标准将家电产品组成一个网络，使网络内部的各种家电能够在一个安全、高效以及稳定的环境下进行工作。智能家电网络这个概念就是从这时起诞生的。国际上对智能家庭网络(总线)的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发达国家，如美国、日本以及欧洲的德国、英国和法国。其中比较重要的有下述几个系统：美国的X 1 0，C E B u s(C o n s u m e rE l e c t r o n i cB u s)，L o n W o r k s：日本H B S(H o m eB u sS y s t e m)：欧洲的E I B(E u r o p e a nI n s t a l l a t i o nB u s)和E H S(E u r o p e a nH o m eS y s t e m)等【1 1。1 X 1 0：X-I O 是最早流行于美国的智能家庭网络系统。其最主要的特点是采用易于获得的电力线作为传输介质，组网方便。X-I O 产品在美国主要用于旧房改造，采用电力线传输和控制模块造价低是其优点；但系统传输速率低和抗干扰能力差(这是由于信号载波在电力线上传输造成的)9 l J J 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 C E B U S：美国电子工业协会(E 于1 9 8 4 年4 月开始组织开发新的家庭网络标准，并于1 9 9 2 年正式推出C E B u S(C o n s u m e rE l e c t r o n i cB u s)，定为E L A 6 0 0标准：C E B U S 是一个比较完整的开放体系，它定义了几乎所有传输介质(电力线、-双绞线、同轴电缆、无线电、红外、光纤)中信号的传输标准，并要求所有传输介质中信号传输的速率均为1 0 K b p s，任何符合C E B u s 标准的电气产品均可以直接互连和通信。C E B u s 是一种完全开放式的家庭网络标准，它定义了家庭网络的许多方面，有利于系统的推广。但标准中对信道的传输速率定义得太低(1 0 K b p s)，不利于系统的扩展。C E B u S 系统技术难度大(如电力线载波，频分多路复用)，造价高。在市场上应用并不太广泛。C E B u s 标准制定后，很多人对该系统的实现进行了努力。主要针对电力线和双绞线。另外有些人对信号的传输速率和拓扑结构进行了改进，如用双绞线时将数据通道和控制通道分开；采用基带传输方式，将设备按功能和相关程度分组；电源线与信号线分开等。通过这些措施，减少系统的复杂度，降低成本。3 L o n W o r k s：L o n W o r k s 是由美国E c h e l o n 公司于1 9 9 1 年研制出的完全分布式智能控制网络体系，具有开放性和互操作性，并于1 9 9 7 年被E I A 定为家庭网络标准E W I S 7 0 9。L o n W o r k s 是一个功能强大的智能控制网络，但其协议的非开放性和造价高又限制了它在家庭自动化方面的应用。4 H B S：H B S(H o m eB u sS y s t e m)标准是由日本E I A J R E E AH B S 标准委员会于1 9 8 7 年制定的，但它只规定了通信协议。由I S O O S I 七层模型的三层组成，即物理层、数据链路层、网络层。而H B S 网络及其子网则留作工程问题来解决。5 E I B：E I B(E u r o p e a nI n s t a l l a t i o nB u s)是欧洲安装总线协会(E u r o p e a nI n s t M l a t i o nB u sA s s o c i a t i o n，E I B A)推出的用于电气安装领域的智能控制网络。它也是一种开放式系统，任何E I B A 的会员都可以获得该规范。E I B 受到S i e m e n s和A B B 公司的大力推广，在欧洲应用比较广泛。6 E H S：E H S(E u r o p e a nH o m eS y s t e m)是由欧洲E S P R I T(E u r o p e a nS t r a t e g i eP r o g r a m m e rf o rR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n ti nI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y)项目组支持开发的家庭网络系统。也是一种开放式系统。与前面介绍的几种家庭网络系统分布式结构不同，它采用了客户服务器方式的集散式结构，系统的智能部件主要位于客户节点。服务器给系统提供服务，客户则负责建立应用连接，即广播服务请求，相应的服务器则响应该请求。E H S 系统同样提出了设备的互操作性，应用层的C L S E(C o m m a n dL a n g u a g eS e r v i c eE l e m e n t)语言就是为此而设计的。另外，连接到系统上面的设备可以部分实现即插即用。这主要是由服务器来完成的。E H S 系统尽管有许多优点，但在市场上却成了失败者，其主要的原因之一是客户服务器结构的复杂性。7 J i n i：J i n i 由一系列J a v a 代码组成，它把网络上的各种设备和各种软件组合成一个动态单一的分布式系统，使网络更易于操纵和管理，具有更高的可配置性。J i n i 并不是一个操作系统，而是位于J a v a 之上的一个基本结构。J i n i 技术具有如下特点：第一，具有即插即用的特点，但以J i n i 技术进行组网更为简单、快捷和方便。第二，J i n i 技术独立于具体的操作系统，并且采用了先进的协议机制，使得服务的使用不需要安装任何驱动程序，整个系统的资源共享更为直观，具有良好的用户接口。因此，J i n i 技术被更多的电器开发商所采用。国内的一些著名家电制造商，如海尔、T C L、联想等已经开始了对信息家电2或网络家电的研究，并且成功开发出了不少“概念式 的产品。综观这些“概念产品，有的是直接利用国外已经开发出的智能家庭网络总线标准，有的则是直接把以太网模式应用于智能家电网络中。不管是以上哪种类型的产品，他们都有一些共同的缺点：不同品牌甚至同一品牌不同时期生产的产品之间兼容性差，不能实现即插即用(p l u g&p l a y)；产品价格高昂，一般家庭难以接受；自主知识产权含量低，使产品的成本难以降低。智能家电虽然有非常光明的前景，但是在现阶段却受制于生产成本过高，市场需求少，标准不统一等问题，发展速度缓慢。由于现在家电行业内还没有一种获得所有企业认同，而且准入成本低的标准，各个品牌所推出的所谓智能家电都是不能互相兼容的，如果要组建一个智能家电网络，必须购买同一品牌的所有产品；如果单单购买一件智能家电，又很难发挥出其应有的功能造成了浪费。因此，要使智能家电产品能够真正地进入普通家庭，在老百姓中得到普及以发挥其应有的作用，必须走一条循序渐进的道路，要从低进入门槛，价格合理的产品做起，慢慢地培养起一个市场空间，最终实现我们理想中为智能家电构想的目标。1 2 整体厨房的发展与现状关于整体厨房的话题，已经由开始的概念之争转向目前的标准之争【2】。对于中国的产业来说，最棘手的问题莫过于标准，不是掌握不了标准制订的主动权，就是标准的制订总是落后于行业的发展。整体厨房的发展就属于后一种情况。业内人士指出，整体厨房是厨具、电器、燃气具三位一体的现代化厨剧3 1。一排底柜加一排吊柜，把水池、灶台、油烟机都安装好，这并不是真正意义上的整体厨房。现代的整体厨房要按照消费者家中厨房结构、面积以及家庭成员的个性化需求，进行整体配置、整体设计、整体施工并提供相关的成套产品，要将冰箱、洗碗机、消毒柜、洗衣机等设计安置在厨房里，和橱柜有机地结合在一起，构成配套一体化。它是一种量身定做的、非标准的个性化产品。企业只有在信息获取渠道、资源整合、成本控制、市场战略、人性化的设计、科学完善的管理、售后服务等方面都达到一个比较理想的状态，才称得上是整体厨房。目前，“橱柜家电一体化 基本上已经成了业界对整体厨房的诠释，而大部分的整体厨房品牌仅仅能够生产简单的橱柜，而厨房电器只能依赖于他人，这样一来为了保持较3高的利润，只能选用杂牌电器，而这势必带来设计、安装、特别是售后的巨大麻烦。据有关数据显示，截至2 0 0 4 年底城市居民家庭整体厨房保有量为2 4 8 万套，家庭拥有率达1 5；未来3 年中国整体厨房产品的潜在市场规模接近2 6 0 万套，每年增长率保持在1 0 左右。这对于已进入行业微利时代的家电企业来说，无疑是利好的消息。于是海尔、方太、帅康、万家乐、科宝、华帝、美的等品牌纷纷进入这一领域。但由于整体厨房产品的特殊性，以及市场培育不成熟，致使目前厨卫行业还比较混乱，不管是厨房电器行业的品牌也好，橱柜行业的品牌也好，消费者到商场去看的时候很少会锁定某个品牌，基本上都是询价、看款式等一系列流程之后就决定购买。这种状况给很多杂牌厂商以可乘之机。1 3 故障诊断技术的发展与现状设备故障诊断技术是近4 0 年发展起来的一门新学科，它是适应各种工程需要而形成的多学科交叉的综合学科。在当今技术竞争日益激烈的环境下，工业企业成功的关键因素之一是产品和制造过程的质量控制；另一方面，随着现代工业及科学技术的迅速发展，设备的结构越来越复杂，自动化程度也越来越高，不仅同一设备的不同部分之间互相关联，紧密耦合，而且不同设备之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体。因此，一处故障可能引起一系列连锁反应，导致整个设备甚至整个过程不能正常运行，轻者造成停机、停产，重者会产生严重的甚至灾难性的人员伤亡。设备故障诊断技术的发展是和人类对设备的维修方式紧紧相连的。在工业革命后的相当长的时间内，由于当时的生产规模，设备的技术水平和复杂程度都较低，设备的利用率和维修费用并未引起人们的重视；2 0 世纪以后，由于大生产的发展，尤其是流水线生产方式的出现，设备本身的技术水平和复杂程度都大大提高，设备故障对生产的影响显著增加，这样出现了定期维修，以便在事故发生之前加以处理。大约在6 0 年代，美国军方意识到定期维修的一系列弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设备的正常运行过程中就开始进行监测，以发现潜在的故障因素，及早采取措施，防止突发性故障的产生。军方的这种主动维修方4式，很快被其它企业所效仿，设备故障诊断技术很快发展起来。从科学发展的大环境来看，设备诊断技术的产生也是多学科交叉发展的必然。4 0 年代以来，人类的生产方式日益向大工业方向发展。在这种宏观的社会大背景下，系统论、混沌学纷纷诞生，尤其是控制理论出现了重大突破，产生了一系列的现代控制方法。生产系统的庞大化和复杂化同时也暴露出一些问题，即如何防止设备运行中故障的发生，这就要有-f l 相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展，为设备故障诊断技术提供了必要的技术基础；6 0 年代，快速傅立叶变换的出现，使诊断技术的发展产生了飞跃；近年来，传感器技术，信号处理技术(如各种滤波技术、谱分析技术)，人工智能技术(如专家系统、神经网络、信息融合等)的发展，使得设备故障诊断技术得到了更进一步的发展。从故障诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的许多权威机构，如美国的机械工程师学会(A S M E)，美国宇航局(N A S A)等都参与了这一领域的研究，投入了大量的资金。不少高校和企业也都设立了故障诊断技术研究中心。开发了许多实用的诊断系统，如1 9 6 7 年美国研制的飞机数据系统“A I D S I t l t,1 9 7 7年美国使用的“T R E N O S”飞机发动机状态监测诊断系统及近些年美军装备到部队的A N f r P Q 3 6 3 7 雷达机内测试和故障诊断系统等，其中大多数不仅具有完善的监测功能，而且具有较强的诊断功能。在宇航、军事、工业等方面有广泛的应用。我国故障诊断技术的发展始于7 0 年代末，虽然起步较晚，但近年来发展较快，在某些理论研究方面己和国外不相上下。目前，在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的产品。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统 等。综观我国的设备诊断技术现状，其应用集中在化工、电力、冶金等行业，科研则主要集中在高校进行，如西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、清华大学、上海交通大学、东北大学、东南大学等都成立了颇具实力的诊断工程中心。这些研究机构对我国诊断技术的发展做出了较大的贡献。51 4 本课题研究内容近年来，人工智能技术及计算机技术的飞速发展，为电子设备故障诊断提供了新的理论基础和技术手段，产生了一些新的诊断方法，如模糊诊断，专家系统诊断方法等。本课题以整体厨房控制电路为研究对象，将多传感器信息融合技术引入电子设备故障诊断之中，深入研究了故障信息的获取方法和处理技术，研究内容主要包括以下几个方面：第一章：通过对智能家电、整体厨房的发展与现状和故障诊断的发展现状进行介绍，论述了本课题的选题背景及意义。第二章：通过对整体智能厨房控制系统设计方案的比较与选择，提出了恰当的设计方案，并介绍了中央控制器和下位机控制器工作原理，给出了以美国M I C R O C H I O P 公司的微处理器(M C U)P I C l 6 F 6 2 8 为主控芯片、以美国M A X I M公司的M A X 4 8 5 为执行R S 4 8 5 协议的通讯芯片的下位机电原理图。该系统既满足通用性要求，又具有合理的经济投入，符合现阶段市场的需求实情。第三章：按照整体智能厨房控制系统可靠性要求，对系统接口电路进行故障诊断系统的设计，给出了以单片机W 7 8 E 5 8 为中心的总体设计框图及方案；介绍了设计中采用的数据采集、传输模块等硬件设计内容。第四章：介绍了多传感器信息融合技术并将D S 证据理论应用于接口电路故障诊断中，实验说明基于D S 证据理论多传感器信息融合可有效提高故障元件定位的准确率；针对D S 证据理论在证据冲突较大时准确率降低的不足，提出了改进D S 证据组合规则的方法，提高了故障诊断的准确性。第五章：对故障诊断系统及改进的D S 证据理论算法进行了软件设计与实现。软件系统采用C 5 1 语言进行开发。第六章：对论文所做的设计工作进行了总结，并阐述了将来进一步扩展和完善的方向。6第二章整体智能厨房控制系统的设计2 1 系统概述整体智能厨房控制系统是用来实现上位机对厨房电器的统一监控和使用的。在正常工作状态下，人手直接控制厨房电器时，电器的使用状态应能在上位机实时显示，而利用上位机操作时，各电器可按照上位机发出的指令执行相应的操作；当控制系统元件出现故障时，系统可提示系统故障并能搜寻出故障元件位置。智能厨房的运行特性给系统提出了较高的要求，恰当的选择设计方案和故障诊断方法，使系统既满足通用性要求，又具有合理的经济投入，符合现阶段市场的需求实情，是本系统的基本设计思想。整个智能厨房控制系统由中心控制系统，接口控制子系统和通讯子系统组成。中心控制系统为整个智能厨房的控制中心，需要控制的厨房电器都可以在上位机上进行控制，同时，被控的厨房电器的一些状态可在上位机上进行显示。整体厨房控制系统组成如图2 1 所示。r F 邸百一邸奄童苜盲一。图2-1 整体厨房控制系统示意图系统各部分功能如下：(1)中心控制子系统对厨房电器的直接控制(电源的控制，每个电器操控功能的实现)：氽一固微放”对厨房电器控制过程的监控与信息显示；对个别厨房电器的工作温度进行监控与报警；建立外部信息交换平台(费用查询，小区茶场，电脑交费等)：建立厨房直接用户的信息资料库。(2)网络通讯子系统在中心控制子系统和接口控制子系统之间建立数据传输通路，建立可靠通讯机制。(3)接口控制子系统接收中心控制子系统的命令，实现对被控对象的控制；采集被控对象独立操作时的状态变化，并传输到中心控制子系统。2 2 系统设计方案选择l、中心控制系统方案选择中心控制系统需要完成多种功能，主要包括：厨房控制功能、电子商务的小区菜场购物功能、自助菜谱学习及查询功能、电视播放功能以及小区费用查询功能(电费，水费，有线电视费用，小区管理费等日常费用)。根据中心控制系统的功能要求，在方案设计阶段必须考虑周到的进行考虑。考虑方案如下：(1)专用控制器方案：专用控制器是指采用微电脑，触摸型显示器，单独建立特殊的操作平台，在特殊的操作平台上实现规定的控制功能。主要的缺点：需要较长的开发周期；需要更多的开发经费；部件缺乏通用性，不利于产品维护。二次开发缺乏足够的支撑软件平台(例如开发工具，通讯协议软件，网络互连软件等)(2)工业控制P C 方案：工业控制P C 是专为工业应用环境而设计的P C 机系统，具有很高的可靠性，完全满足本系统的需要，主要缺点：成本高。(3)通用P C 方案：通用P C 是目前应用最为广泛的电脑系统，主要优点：具有广泛的认知；方便易得的支撑软件工具；标准的配件。方案的比较与确认：根据系统的设计要求，比较上述三个方案的优缺点，最可取的方案为通用P C 的方案。2、网络通讯方案选择工程亟堂位i 金玄筮三童整链智能匠墟控剑丕统殴逡让根据网络分层结构与网络通讯的要求，在本系统中，对网络通讯的要求在完成基本功能的前提下，必须满足几个要求：具有双向通讯的能力；具有组网的能力；具有足够的通讯可靠性；具有可能的最小硬件成本。目前的通讯媒体分为两类：有线方式和无线方式。本系统中数据传输的数据量并不是很大，不需要使用1 0 M 1 0 0 M 数据传输率的以太网方案，只考虑有线小数据量通讯的方案。(1)电力线载波通讯方案：电力线载波通讯方式一直是近几年的一个研究热点，成熟的产品具有可非常明显的优点：省去布线，简化安装。由于我国现有的电力网的应用环境的复杂性，目前并没有很好的应用，根本原因有如下几个：低成本，短距离的电力线载波方案主要使用在点对点的系统中，无法进行组网，本系统需要组网的要求无法满足；可以组网的电力线载波方案，成本较高。(2)基于工业现场环境的R S-4 8 5 通讯方案：R S-4 8 5 是美国及国际标准化组织规定的在工业环境中使用的通讯标准，具有足够的通讯可靠性，数据传输的速度可超过2 M s，同时具有组网的能力，其成本就是一个I C 芯片和双绞线的成本。完全满足本系统的需要。方案的比较与确认：根据本系统的要求、硬件成本以及组网的功能需求，本系统采用R S-4 8 5 的通讯方案。按照网络层次管理的架构模型，在本系统的通讯子系统中采用三层结构，通讯结构定义分别为数据应用层、二进制链路控制层和物理层，如图2 2 所示。图2-2 通讯分层结构示意图为保证通讯的可靠性，可靠性分为三层校验，即电气层校验、链路控制层位校验、数据帧校验。(1)物理层(传输媒介层)采用两根双绞线，电器性能指标符合工业现9场通讯要求，遵照R S-4 8 5 标准。(2)二进制链路控制层波特率：=9 6 0 0 b s =115 2 0 0 b s数据位：8 b i t传输校验：奇偶停止位：1b i t 1 5 b i t(3)数据帧H e a d e rS o u r c eD e s t i n a t i o nl e n g t hC o n t e n t sC R CD O：D 8D 9：D 1 5D 1 6：D 2 3D 2 4：D 3 2D 3 3：D(4 0+8 幸D(4 1+8 l e n g t h)：D(4 7+l e n g t h)8*l e n g t h)，图2-3 数据帧格式数据帧格式如图2 3 所示，其中H e a d e r 指的是第1 位到第9 位是帧头，S o u r c e是源信息地址，D e s t i n a t i o n 是目的地址，l e n g t h 是内容长度，C o n t e n t s 是正文内容，C R C 是校验位。2 3 系统工作原理2 3 1 中央控制器原理及电原理图电脑控制系统为整个智能厨房的控制中心，需要控制的厨房电器都可以在电脑上进行控制，同时，被控的厨房电器的一些状态可在电脑上进行显示。整个智能厨房系统由电脑控制系统，接口控制系统和被控的厨房设备组成。如图2 4 所示。图2-4 智能厨房系统工作原理图电脑控制系统通过标准设备串行通讯接口，对接口控制系统发送控制命令，l O接收接口控制系统的反馈状态信息。电脑控制系统与接口控制系统之间通过R S-4 8 5 总线方式进行信息的交换。工作模式为主从模式。电脑控制系统与R S-4 8 5 总线之间，采用R S 2 3 2 R S-4 8 5双向转换的方式实现。1 控制命令定义控制命令采用6 个字节的字符串，具体定义如下：A X X X X其中，：(第一个字符)表示由电脑发送出去的控制命令；A(第二个字符)表示接口控制系统设备的编号，设备编号如表2 1 所示：X X X X(后面的四个字符)表示控制命令字，如表2-2 所示。表2 1 设备编号表：设备名称设备编号备注抽油烟机A消毒柜B冰箱C粉碎机D烤箱E电饭煲F微波炉G电磁炉(1)H电磁炉(2)I电磁炉(3)J排气K照明L备用M备用N备用O备用P表2-2 设备控制字设备名ABCDEFGH+XY称抽油烟：A B：A E：A F：A G：A H机消毒柜：B D：B E：B F：B G冰箱：C C：C E：C F：C G：C H粉碎机：D G烤箱：E B：E C电饭煲：F A：F B：F C：F D：F E：F G：F G：F H微波炉：G A：G B：G C：G+：G 电磁炉：H E：H F：H G：H H(1)电磁炉：I E：I F：I G：m(2)电磁炉：J E：J F：J G：J H(3)排气：K B：K C照明：L A：L B：L C：L D：I，E：L F系统通过发送“设备控制字 来实现对电器的具体控制，比如“：A B 对应抽油烟机的“开关一操作，而“：A F 对应抽油烟机的“照明 功能。具体意义详见附件中的接口控制命令对照表。考虑电器功能扩展，目前6 个字节的控制命令实际只用了3 个字节，剩余三个字节为备用。2 上位机查询和控制设备原理各个厨房设备操作状态查询工作原理系统每隔l O O m s 就对设备发送查询命令，并延时1 5 m s，等待反馈字符，若收到，检查反馈字符是否合理，若合理，则记录该设备工作状态并显示，然后轮询下一个设备。则提示是否二次通讯，若是则返回，否则记录设备通讯失败并显示。具体流程如图2 5 所示。1 2设备控制工作原理当使用上位机按下控制按钮时，系统首先检查l O O m s 定时器是否工作，是则关闭定时器，然后发送对应的控制字符并延时等待反馈，若收到反馈字符，检查其是否合理，若合理，则记录该设备工作状态并显示，然后显示通讯当前状态并打开l O O m s 定时器。若未收到反馈字符或反馈字符错误，则记录通讯失败，并打开l O O m s 定时器。具体流程如图2-6 所示。图2-5 设备状态查询流程示意图1 3图2-6 设备控制流程示意图1 42 3 2 下位机控制器原理及电原理图下位机采用美国M I C R O C H I O P 公司的微处理器(M C U)P I C l 6 F 6 2 8 作为控制芯片；采用美国M A X I M 公司的M A X 4 8 5 为执行R S 4 8 5 协议的通讯芯片；采用C D 4 0 6 7、C D 4 0 6 6 为模拟开关；采用日本东芝公司的T L P 5 2 1 1 为光电隔离器。微处理器(M C U)通过M A X 4 8 5 接收上位机(P C 机)的控制指令，经过处理后，通过C D 4 0 6 7、C D 4 0 6 6 对相应的电器进行功能控制、或者直接产生相应的控制信号(如对应的时序脉冲)对电器进行控制。各电器的工作状态通过光电耦合器反映给微处理器(M C U)，再由微处理器(M C U)通过M A X 4 8 5 传递给上位机(P C 机)。微处理器(M C U)控制电路由独立1 2 V 直流电源供电，采用总线模式；模拟开关电路、及脉冲输出电路由各电器供电；两者通过光电耦合器隔离。下面给出了下位机的电原理图如图2 8 所示。2 3 3 接口控制系统原理及电原理图接口控制子系统(如图2 7)是针对每一个厨房电器分别设计的。一个厨房电器就必须配套一个接口控制。现以抽油烟机为例来说明其工作原理。厨房电器接口控制子系统网络通讯子系统接口图2-7 接口控制子系统当触摸显示屏上的“风量一一键时，由中央控制器发出相应的指令，油烟机接口电路中单片机I C 2(P I C l 6 F 6 2 8)发出相应的代码，通过译码电路I C 31 5图2-8 下位机电原理图(C D 4 0 6 7)送出一个正脉冲，将开关电路I C 6(C D 4 0 6 6)中1，2 引脚接通，相当于按下油烟机面板上的“K l 键，油烟机内部继电器动作，电动机按l 档运行，L E D 显示1。油烟机控制电原理图如图2-9 所示。图2-9 油烟机控制电原理图当触摸显示屏上的“风量二 键时，由中央控制器发出相应的指令，油烟机接口电路中单片机I C 2(P I C l 6 F 6 2 8)发出相应的代码，通过译码电路I C 3(C D 4 0 6 7)送出一个正脉冲，将开关电路I C 6(C D 4 0 6 6)中3，4 引脚接通，相当于按下油烟机面板上的“K 2 键，油烟机内部继电器动作，电动机按2 档运行，L E D 显示2。K 3、K 4、K 5 键以此类推。当触摸显示屏上的“照明 键时，由中央控制器发出相应的指令，油烟机接口电路中单片机I C 2(P I C l 6 F 6 2 8)发出相应的代码，通过译码电路I C 3(C D 4 0 6 7)送出一个正脉冲，将开关电路I C 6(C D 4 0 6 6)中8，9 引脚接通，