沈澍 劉小雨 顧康

摘? 要： 信息物理系統(tǒng)（CPS）的出現(xiàn)使得許多技術(shù)發(fā)生了巨大的革新，智能洗衣機(jī)的發(fā)展也可以利用信息物理系統(tǒng)。通過(guò)采集洗衣過(guò)程中的水濃度信息，控制器可以自行判斷是否完成全部洗衣工作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)固定洗滌流程的洗衣過(guò)程。利用了有限狀態(tài)機(jī)的思想并在FPGA平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，更加簡(jiǎn)潔直觀的實(shí)現(xiàn)所需功能。測(cè)試結(jié)果表明，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)所述功能，可以有效解決洗滌殘留以及資源浪費(fèi)等實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 信息物理系統(tǒng); 智能控制器; FPGA; 有限狀態(tài)機(jī); 反饋控制

中圖分類號(hào)：TP391.8? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）01-17-04

Abstract： The emergence of CPS （cyber-physical systems） has led to great innovations in many aspects. The development of smart washing machines can also take advantage of CPS. By collecting the water concentration information in the washing process， the controller can judge the reality and realize the washing process without fixed washing process. It makes use of the idea of finite state machine and develops on FPGA platform to realize the required functions more concisely and intuitively. The test results show that the controller can realize the function and solve the practical problems such as washing residue and waste of resources.

Key words： CPS; intelligent controller; FPGA; finite state machine; feedback control

0 引言

洗衣機(jī)的出現(xiàn)在很大程度上減輕了人們家務(wù)方面的壓力。但是，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的不斷追求，現(xiàn)有的洗衣機(jī)并不能滿足所有用戶的需求[1]。一是，固定的洗衣流程無(wú)法靈活的滿足所有用戶的需求。二是，洗衣粉用量的不同可能會(huì)導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)或洗衣粉的殘留。因此，對(duì)智能洗衣機(jī)控制器的研究是十分必要的。

本文實(shí)現(xiàn)的是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）的智能洗衣機(jī)控制器仿真與設(shè)計(jì)。CPS定義了物理與信息兩種元素，它常常會(huì)與一個(gè)或多個(gè)反饋控制回路相結(jié)合，且物理進(jìn)程與信息元素之間會(huì)相互影響[2-5]。本文用反饋控制回路的思想，通過(guò)物理?xiàng)l件來(lái)判斷洗衣是否結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了非固定的洗衣流程[6-7]。

FPGA是一種在專用集成電路領(lǐng)域中作為半定制電路而出現(xiàn)的芯片，具有效率高、實(shí)時(shí)性好、成本低、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)各種實(shí)現(xiàn)途徑的詳盡分析，本文最終選用FPGA作為硬件平臺(tái)，并利用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL對(duì)有限狀態(tài)機(jī)中的每個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了更加靈活與高效的洗衣過(guò)程[8-12]。

本文分五個(gè)部分。第一部分引言，主要介紹研究背景以及相關(guān)技術(shù)。第二部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，描述了本系統(tǒng)的三個(gè)模塊組成。第三部分軟件設(shè)計(jì)，介紹狀態(tài)機(jī)中的編碼與主要功能的具體實(shí)現(xiàn)方法。第四部分仿真實(shí)驗(yàn)，展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果圖。第五部分結(jié)束語(yǔ)，對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)研究做進(jìn)一步展望。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所描述的內(nèi)容分為控制模塊、感知模塊和設(shè)備模塊三個(gè)部分?？刂颇K即FPGA芯片;感知模塊分為門蓋檢測(cè)單元、水位檢測(cè)單元和水成分檢測(cè)單元三個(gè)部分;設(shè)備模塊分為水位控制單元、定時(shí)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、蜂鳴器、按鍵單元以及電源六個(gè)部分。

控制模塊作為此項(xiàng)智能控制器的核心部分，在洗衣的過(guò)程中，所有信息都需經(jīng)過(guò)它的處理之后才能傳送給數(shù)據(jù)單元的各個(gè)部件，以此決定洗衣機(jī)的工作狀態(tài)[13]。

感知模塊是控制模塊與設(shè)備模塊的中間橋梁，主要承擔(dān)反饋控制的任務(wù)。它通過(guò)其中傳感器等感知部件對(duì)已有條件的檢測(cè)，分別將信號(hào)傳遞給不同單元以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。其中，水成份檢測(cè)單元通過(guò)水體檢測(cè)傳感器返回的信號(hào)，來(lái)判斷水體濃度是否超標(biāo)，并據(jù)此判斷是否再進(jìn)行漂洗。

設(shè)備模塊的各部分在控制器的信號(hào)控制下完成各自工作，以實(shí)現(xiàn)不同功能。其中，水位控制單元主要包括進(jìn)水控制閥、排水牽引器等裝置，用來(lái)控制自來(lái)水的進(jìn)出，實(shí)現(xiàn)需要水位[14]。具體如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)機(jī)的定義與編碼

洗衣過(guò)程分為7個(gè)狀態(tài)，不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的操作過(guò)程。具體如表1所示。需要指出的是，狀態(tài)機(jī)處于進(jìn)水狀態(tài)及甩干狀態(tài)時(shí)，進(jìn)水口關(guān)，排水口開(kāi)，水成份檢測(cè)為開(kāi)啟狀態(tài)。另外，若門蓋檢測(cè)單元檢測(cè)到門蓋開(kāi)啟，狀態(tài)機(jī)會(huì)跳轉(zhuǎn)到報(bào)警狀態(tài)，蜂鳴器開(kāi)始鳴叫。

⑴ 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：00表示電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，01表示電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，10表示甩干。

⑵ 進(jìn)出水口控制：00表示均關(guān)閉，01表示進(jìn)水口開(kāi)、排水口關(guān)，10表示進(jìn)水口關(guān)、排水口開(kāi)。

⑶ 蜂鳴器鳴叫：00表示非鳴叫狀態(tài)，01表示鳴叫狀態(tài)。

⑷ 水成分檢測(cè)：0表示系統(tǒng)關(guān)閉，1表示系統(tǒng)開(kāi)放。

2.2 功能模塊的具體設(shè)計(jì)

2.2.1 有限狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行

根據(jù)實(shí)際洗衣的操作過(guò)程，此控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如圖2所示。

圖2中設(shè)置了信號(hào)量sign1和sign2。其中，sign1為門蓋狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)反饋的信號(hào)量，0代表門蓋打開(kāi)，1代表門蓋閉合完好;sign2為水成分檢測(cè)所反饋的信號(hào)量，0為水體濃度已小于某一定值，即已到達(dá)洗凈狀態(tài)，可以結(jié)束洗衣;1為水體濃度仍大于某一定值，需循環(huán)進(jìn)行洗衣過(guò)程，直到sign2為0。

在狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，我們?cè)O(shè)置了狀態(tài)信號(hào)（state）與下一狀態(tài)信號(hào)（nextstate）。洗衣工作開(kāi)始后，控制器把開(kāi)始狀態(tài)的編碼000傳輸給state。不同的狀態(tài)信號(hào)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的nextstate。在圖2中可以清楚的了解每一狀態(tài)的下一狀態(tài)。需注意，在甩干狀態(tài)下，水成分檢測(cè)呈開(kāi)啟狀態(tài)，門蓋檢測(cè)也呈開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)這一狀態(tài)下門蓋被打開(kāi)，門蓋檢測(cè)反饋給控制器的信號(hào)量sign1的值為0，此時(shí)下一狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)給予提示閉合門蓋。通過(guò)對(duì)水成分的檢測(cè)得到信號(hào)量sign2的值，若為0，說(shuō)明衣服洗凈，下一狀態(tài)為完成狀態(tài);若為1，則說(shuō)明還未洗凈，下一狀態(tài)為進(jìn)水狀態(tài)，循環(huán)洗滌，直至衣服洗凈，到達(dá)完成狀態(tài)。

2.2.2 電機(jī)控制

在洗衣過(guò)程中合理使用電機(jī)可以使洗衣過(guò)程變得高效，同時(shí)也可以節(jié)省能源。如圖3，電機(jī)控制分為洗衣和甩干兩個(gè)部分，相應(yīng)的，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與旋轉(zhuǎn)方向有所不同[15]。不同狀態(tài)下計(jì)時(shí)器的初值也不同，其數(shù)值會(huì)隨時(shí)間遞減，遞減為0時(shí)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的電機(jī)工作完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用Verilog HDL進(jìn)行仿真，如下為仿真結(jié)果，即狀態(tài)機(jī)的不同信號(hào)量下的測(cè)試結(jié)果：

從圖4的波形圖中可以看出，當(dāng)sign1與sign2均為0時(shí)，即門蓋被打開(kāi)、水體濃度已達(dá)標(biāo)的情況下，狀態(tài)從甩干狀態(tài)到報(bào)警狀態(tài)，因sign1的值不改變，所以狀態(tài)信號(hào)（state）始終保持在報(bào)警狀態(tài)。當(dāng)sign2變?yōu)?時(shí)，state變化與圖4保持一致。

從圖5的波形圖中看出，當(dāng)sign1為1，sign2為0時(shí)，即門蓋持續(xù)閉合，并且檢測(cè)到水體濃度小于某一定值時(shí)，洗衣工作結(jié)束，也就是狀態(tài)機(jī)完成了一整套狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

從圖6的波形圖中看出，當(dāng)sign1和sign2均為1時(shí)，由于sign2的值保持1，即衣服未洗凈，狀態(tài)機(jī)從甩干狀態(tài)后做循環(huán)洗滌工作。

需要說(shuō)明的是，由于沒(méi)有定義結(jié)束過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中我們通過(guò)添加最大循環(huán)次數(shù)從而避免因人工或控制器本身的錯(cuò)誤導(dǎo)致洗衣過(guò)程的無(wú)限循環(huán)，進(jìn)而造成資源的浪費(fèi)并違背本文的初衷。

4 結(jié)束語(yǔ)

將信息物理系統(tǒng)與智能洗衣機(jī)控制器相結(jié)合能夠讓用戶有更加人性化的洗衣體驗(yàn)，本文的創(chuàng)新之處在于非固定的洗衣流程，它將洗衣機(jī)控制器與信息物理系統(tǒng)相結(jié)合，洗衣的具體流程由洗衣過(guò)程中所反饋的信號(hào)量決定，實(shí)現(xiàn)了信息空間與物理過(guò)程的融合。這種方法利用了信息物理系統(tǒng)中的反饋控制思想，既節(jié)約了水資源，又減輕了洗衣機(jī)控制器的負(fù)擔(dān)，體現(xiàn)出了現(xiàn)代智能洗衣機(jī)的綠色、高效等特點(diǎn)。

在后面的研究中，為了進(jìn)一步加快智能洗衣機(jī)的發(fā)展進(jìn)程，還可以將信息物理系統(tǒng)與智能洗衣機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的融合，以實(shí)現(xiàn)更加人性化的智能洗衣機(jī)控制器。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 劉賀，余成波，張方方.全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊控制分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2009.5：111-114

[2] 程著.基于信息物理家居系統(tǒng)的熱舒適控制器的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[D].天津大學(xué)，2013.

[3] Rajkumar R， Lee L， Sha L， Stankovic J. Cyber-physical?systems： The next computing revolution[C]//Design Automation Conference. Anaheim， CA， USA：IEEE，2010：731-736

[4] Congcong S， Gabriela C， Vincenc P， Jordi M. Cyber-Physical Systems for Real-Time Management in the Urban Water Cycle[C]//2018 International Workshop on Cyber-physical Systems for Smart Water Networks （CySWater）. Porto， Portugal， Portugal：IEEE，2018：5-8

[5] Chin-Feng Lai， Yi-Wei Ma， Sung-Yen Chang，?Han-Chieh Chao， Yueh-Min Huang. OSGi-based services architecture for Cyber-Physical Home Control Systems[J]. Computer Communications，2010，2010.2：184-191

[6] Michal K， Stefan K， Branislav D. Design and?Implementation of FPGA - digital based PID controller[C]//2014 15th International Carpathian Control Conference （ICCC）. Velke Karlovice， Czech Republic： IEEE，2014：233-236

[7] Li H， Zhang X F， Pang L J， Tong Y W. Design and Implementation on the Temperature Control System of Roaster Based on FPGA and Fuzzy-PID Technology[C]//2011 Fourth International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Shenzhen， Guangdong， China：IEEE，2011：396-399

[8] 孔昕，吳武臣，侯立剛.基于Verilog的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2010.2：180-183

[9] 郭忠，李濤，李勇，張勇.基于FPGA的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012.13：190-192

[10] 李國(guó)麗.EDA與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[11] 褚振勇，翁木云.FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[12] Gu J; Du Q. The Design of Intelligent Washing Machine Controller Based on FPGA[C]//2015 Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement， Computer， Communication and Control （IMCCC）. Qinhuangdao，China： IEEE，2015：1529-1532

[13] Zhao L T; Lin Z. A precise high-speed tracking and pointing control system of camera based on FPGA ： Closed loop feedback control system to control the remote sensing camera lens moving[C]//2017 3rd IEEE International Conference on Control Science and Systems Engineering （ICCSSE）. Beijing， China： IEEE，2017：173-177

[14] 張海波.全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2012.

[15] 田艷，田莎莎.基于FPGA的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2012.9：48-51