基于智能家居与openmv,的多功能办公桌的研究
时间：2023-05-31 08:05:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
董佳兴，武志涛*，单俊超，李科瑾，张丽雯，吴佳鸿
（辽宁科技大学 电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114000）
随着“智能家居”逐渐走入人们的视野，然而目前市场上很难找到一款真正意义上的“智能家居”。与此同时，办公室一族高强度的工作压力让这个群体积劳成疾，如何将智能家居引入办公室，在缓解人们工作压力的同时，让人们更好养成一个健康的办公习惯。针对于以上的问题，我们项目组研究了一款多功能办公桌，拥有办公桌上追踪手机无线充电、升降桌腿、传递水杯、智能感应以及透明屏幕创意等功能[1]。
以STM32 和openmv 双系统的通信联调为主，通过电磁感应式无线充电线圈、电磁铁模块、oled 屏幕、hc-06 蓝牙模块、步进电机驱动模块以及铝材滑轨等机械结构组成。根据openmv 的视觉技术实现对桌子上的可充电物品进行追踪无线充电的功能；
根据单片机内置定时器和摄像头结合来实现工作人员的工作时间来自动升降桌腿功能；
根据滑轨与电磁铁模块的结合来定时传递水杯功能；
根据oled 透明液晶屏幕的特性设计一款个性化的科技感透明屏幕桌面，做到桌面智能化和自动化。其系统框图见图1[2]。
2.1 处理器模块的选择及功能介绍
处理器主要采用STM32F103ZET6 作为整体软件控制框架的控制芯片，此芯片为STM32 系列单片机,片内最多高达112 个快速IO 端口、12 通道DMA 控制器、3 个12 位的A/D 转换器、多达11 个定时器，13 个通信接口，并且支持SPI 和I2C 通信，内置的资源满足本设计多功能办公桌的所有功能需求，并且可以通过通讯接口与openmv 摄像头模块的内控进行信息通讯，兼容性很强，并且该芯片还具有低功耗、低成本、高性能和集成度高等优点。
2.2 摄像头驱动电路的设计
摄像头控制电路采用的是openmv 高度集成摄像头，该摄像头是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块，自带STM32 处理器，集成OV7725 摄像头芯片，可以对摄像头传感的图像进行自处理，并可与机器人主处理器进行通讯。
openmv-H7 是一种可编程机器视觉硬件，通过和OV7725 摄像头的结合可以支持一系列广泛的图像处理功能和神经网络，在通过IDE 的允许条件下，可查看帧缓冲器和访问传感器控件。STM32H743 是该模块基板的MCU，具有32 位的Cortex-M7 内核芯片，具有双精度浮点处理单元FPU，可以实现摄像头自主进行图片处理，在使用的时候只需要与本设计的主控制器进行有线/无线的串口通信即可[3]。
2.3 无线充电电路的设计
无线充电电路采用电磁感应式无线充电技术，电磁感应就是给初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。本设计该部分电路将220 V 的交流电通过桥式整流电路变成直流电，然后通过电容滤波作用变成脉动直流电，脉动直流电在高频逆变开关电路基础上变成高频可变的交流信号，再通过高频RC 振荡电路经过发射线圈发射出去，发射出来的高频交流信号在接收线圈里产生交变的感应电流，在通过整流、滤波、稳压、恒压充电电路，给手机、无线键盘等一些待充电物品充电[4]。
2.4 电磁铁模块电路的设计
电磁铁模块电路采用keyes 研发的一种吸盘式电磁铁模块，该模块电路设计了3 个接口，分别是VCC、GND 以及信号线接口，通过给信号线接口脉冲来控制电磁铁产生磁力的时间，相较于其他电磁模块来说，控制更加稳定和简单。
2.5 蓝牙模块电路的设计
蓝牙模块驱动电路采用hc-06 蓝牙模块。可以实现AT 指令来设置和查询参数，也可以实现串口的数据透传，可通过模块上电后使KEY 引脚接VCC 来进入AT 状态，通过“AT+＜=PARAM＞”指令结构来设置参数格式，实现修改蓝牙名称、地址、波特率、记忆指令和主从状态等功能。该型号蓝牙通讯范围较大，通讯环境稳定[5]。
2.6 步进电机驱动电路的设计
步进电机驱动电路采用五线四相步进电机和MINI ULN2003 驱动模块，步进电机不能直接在工频直流电源上工作，必须通过驱动模块与其直接耦合，实现对步进电机微控制器的功率接口功能。MINI ULN2003 步进电机驱动模块是五线四相步进电机的一种专用驱动电路，该电路引出了5P 排针插座，可与电机直接连接，板载ULN2003A 驱动芯片，通过单片机芯片对芯片引脚的io 输出脉冲信号来控制步进电机的转动速度和转动时间[6]。
2.7 oled 屏幕电路的设计
oled 屏幕电路选择的是55 英寸透明oled 液晶屏幕，oled 是一种自发光有机二极管，每一个像素都可以独立开启和关闭，本设计应用的屏幕模块采用了专业的光学LED 灯珠使透光均匀，节能低耗，使用树莓派高集成控制对屏幕建立hdmi 接口连接，通过拓展口协议进行屏幕读写，从而实现对透明屏幕的创意设计。
3.1 追踪无线充电功能
该部分通过openmv 摄像头模块对充电物品的特征库识别，将特征存储在内控芯片的基础记忆库里，在设计结构时将openmv 架在办公桌上方，对桌面建立识别坐标系，通过对桌子上物品的特征识别判断是否为充电物品，特征库比对正确后通过蓝牙模块对主控STM32 芯片发送物品坐标，主控接收到之后控制步进电机携带无线充电线圈移动到待充电物品下方进行充电。该部分控制流程见图2。
3.2 定时自动升降桌腿功能
该部分通过openmv 摄像头模块对办公桌面建立的坐标系区域（根据像素点分配），将桌面固定的办公区域规划在坐标系中，当检测到办公区域的灰度值到达阈值之后，openmv 通过蓝牙模块向STM32 主控发送指令，主控调用定时器函数开始计时，设置时间标志位，到达标志位之后控制步进电机的滑轨装置，将滑轨带动桌腿进行升降操作。该部分控制流程见图3[7]。
3.3 自动传递水杯功能
该部分与自动升降桌腿功能结合，主要通过吸盘式电磁铁模块和步进电机滑轨装置来实现对水杯的自动传递（固定位置）。
3.4 创意透明桌面功能
该部分通过树莓派对oled 透明桌面进行创意设计，在树莓派中安装linux 系统，利用C++语言在QT的控件库中设计图片模型，利用布局和逻辑代码实现图片的运动等一些动画操作，通过拓展口协议对oled液晶屏幕进行创意显示功能，也可以调用linux 操作系统将日期时间实时显示在屏幕上，留出键盘接口，可以实现工作人员的备忘录编写，存储在主控的内置存储空间[8]。该部分流程见图4。
本研究采用Protues 仿真软件进行系统仿真调试。利用其对虚拟单片机仿真具有丰富的器件库、完善的电路仿真功能等多个优点，对本系统的实验效果进行仿真调试。
4.1 系统仿真实验电路图
本系统的仿真电路图，其中包含各种实现功能的模块，能够在仿真中模拟系统要求的各种功能。
4.2 系统功能仿真
4.2.1 无线充电
220 V 的交流电通过桥式整流电路的方式变成直流电，然后通过电容滤波作用变成脉动直流电，脉动直流电在高频逆变开关电路基础上变成高频可变的交流信号，在通过高频RC 振荡电路经过发射线圈发射出去，发射出来的高频交流信号在接收线圈里产生交变的感应电流，在通过整流、滤波、稳压、恒压充电电路，给手机无线键盘等设备充电。
4.2.2 视觉识别
对桌面建立坐标系，对手机进行特征识别，建立特征库，利用openmv 模块识别特征物，计算特征物坐标之后再通过hc-06 蓝牙模块将坐标数组发回STM32 主控，发现手机在桌面的充电范围后进行特征对比，对比成功进行充电。充电结束之后，步进电机控制无线充电归位。
4.2.3 定时升降桌腿
编写openmv 摄像头模块，将桌面所在的区域建立坐标系之后，当其中灰度达到阈值之后，蓝牙发送指令给STM32 主控，其向步进电机发送一个配置好的脉冲。会控制步进电机的滑轨装置，带动桌腿的升降。针对办公人员的健康办公，以一个小时低位、二十分钟高位为一个周期，进行定时升降桌腿，提醒办公人员，定时工作，达到健康规划管理的效果。
4.2.4 定时传递水杯
该部分主要由吸盘式电磁铁和步进电机滑轨装置运行。编写定时器，当其达到定时标志位时，给电磁铁一个信号使之产生圆形磁场。并且向步进电机发射脉冲，通过控制滑轨结构定时传递水杯提醒办公人员喝水。
4.2.5 屏幕桌面
利用树莓派驱动大透明屏幕，树莓派可以通过linux 系统控制对屏幕建立hdmi 接口，设计qt 文件，再利用拓展口对屏幕进行创意显示，实现提示输写和创意显示等功能。并且可以利用linux 操作系统在屏幕上显示日期，通过预留的键盘接口，还可以实现备忘录的编写以及其他信息的留存等功能，并且有主控内部的独立储存空间[9]。
全文从项目背景、系统框图、硬件电路搭配、程序软件设计、系统仿真调试几个方面论述了该桌子在智能家居市场的创新点以及优秀的竞争力[10]。我们团队也将不断创新发展，力争设计出功能更加强大，更符合现代人日常生活的智能家居。
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