楊 旭，張偉光，王國榮，余昌筠

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

目前廣泛應(yīng)用于換熱器的超聲波除垢系統(tǒng)，其主要構(gòu)造由兩部分構(gòu)成，分別是機(jī)箱和換能器[1]，其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 超聲波除垢系統(tǒng)示意圖

其工作原理是通過機(jī)箱發(fā)出間歇性脈沖束驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波，使得焊接在換熱器罐體前后兩端的換能器震動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)換熱器的罐體震動(dòng)，使換熱器內(nèi)部的水垢在超聲波的作用下發(fā)生一系列反應(yīng)，使其物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，最后松動(dòng)、裂開、脫落，從而達(dá)到除垢的目的[2].實(shí)驗(yàn)表明，為了達(dá)到最佳除垢效果，在換熱器上第一次安裝超聲波除垢系統(tǒng)時(shí)，需要在換熱器上添加一個(gè)壓電陶瓷傳感器并且用示波器觀察調(diào)節(jié)脈沖束超聲波頻率，當(dāng)該頻率與換能器和罐體本身諧振頻率一致后，罐體產(chǎn)生最大振幅，此時(shí)除垢效果最佳.傳統(tǒng)的調(diào)頻方式是在主機(jī)箱上進(jìn)行操作，但是換熱器被測罐體位置和主機(jī)箱的距離過遠(yuǎn)，不便于操作調(diào)節(jié)，如果近距離安裝主機(jī)箱，有可能會(huì)帶來安全隱患.所以，為了解決這一問題，該文介紹了一種基于智能手機(jī)的超聲波除垢系統(tǒng)信號(hào)源模塊的設(shè)計(jì)思路.該模塊使用無線控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制機(jī)箱產(chǎn)生的間歇性脈沖頻率的功能.

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 除垢機(jī)箱整體構(gòu)造

超聲波除垢系統(tǒng)的整體原理框圖如圖2所示，其中信號(hào)源起到產(chǎn)生間斷性脈沖信號(hào)的作用，主控可以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)源頻率以及其他控制功能.功放的功能是將信號(hào)源產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行放大，然后輸出給換能器[3]，超聲波換能器可以把電能轉(zhuǎn)換成超聲波.

圖2 超聲波除垢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 整體設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的機(jī)箱頻率調(diào)節(jié)采用按鍵或者紅外遙控，有一定的限制性.該文的設(shè)計(jì)思路是在信號(hào)源處集成一個(gè)WiFi芯片和MCU，通過智能手機(jī)控制端調(diào)節(jié)信號(hào)源的脈沖頻率.整體控制流程如圖3所示，智能手機(jī)控制端將控制指令通過TCP通信方式發(fā)送到ESP8266WiFi芯片，WiFi芯片使用串口通信，將指令發(fā)送給MCU，MCU對(duì)收到的信息做出相應(yīng)處理后，通過SPI通信方式發(fā)送給受控電路，達(dá)到控制脈沖頻率的目的.

圖3 模塊工作流程圖

1.3 WiFi芯片選擇

鑒于WiFi芯片的傳輸頻段較高，該文采用WiFi作為無線控制方式，可以避免工廠環(huán)境的高頻信號(hào)對(duì)無線信號(hào)的干擾.WiFi芯片選擇上海樂鑫公司生產(chǎn)的ESP8266，ESP8266WiFi芯片是面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一款高性價(jià)比、性能穩(wěn)定、功耗低、高度集成的WiFi MCU[4]，工作溫度范圍大，能夠適應(yīng)各種操作環(huán)境.而且ESP8266本身集成了32位Tensilica處理器，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字外設(shè)接口等功能，滿足實(shí)驗(yàn)和工程的絕大部分需求.同時(shí)，ESP8266WiFi芯片實(shí)現(xiàn)了超低功耗功能，其省電模式適用于各種各樣的低功耗應(yīng)用場景[5].

1.4 智能手機(jī)控制端開發(fā)平臺(tái)的選擇和應(yīng)用

智能手機(jī)控制端的Android APP，選擇使用Android studio作為開發(fā)工具，Android studio是基于IntelliJ IDEA，可以開發(fā)和調(diào)試智能手機(jī)APP的具體功能和UI設(shè)計(jì)，類似于Eclipse的ADT.其操作簡單，編程語言多元化，是目前市面上主流的Android APP開發(fā)工具.通過Android studio進(jìn)行智能手機(jī)控制端APP的界面UI設(shè)計(jì)，UI的按鍵功能定義[6]，以及TCP通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸功能的定義與編寫，成功開啟TCP通信模式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和WiFi芯片的數(shù)據(jù)交流，從而把智能手機(jī)控制端的控制指令發(fā)送給WiFi芯片[7].

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

主控的MCU選擇STM32F103CBT6，該芯片是一款低功耗，性能優(yōu)越，性價(jià)比極高的MCU，模塊中的MCU和WiFi芯片進(jìn)行串口通信，接收來自智能手機(jī)的控制指令.硬件原理圖如圖4所示，WiFi芯片通過串口通信和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將從智能手機(jī)控制端接受到的控制指令發(fā)送給MCU，MCU將收到的數(shù)據(jù)做出處理，發(fā)送給受控設(shè)備的控制器，從而達(dá)到無線控制的目的[8].

圖4 模塊電路圖

3 軟件的設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)置WiFi芯片的AP模式

首先通過ESP8266的開發(fā)工具對(duì)其功能進(jìn)行定義，為了使得工作方式更加直接，該文采用固定的AP模式，即 WiFi芯片自動(dòng)散出一個(gè)WiFi熱點(diǎn)，這樣能夠在不依賴因特網(wǎng)的環(huán)境下進(jìn)行工作，ESP8266的AP模式配置流程如圖5所示.

圖5 AP模式配置流程圖

通過以上幾個(gè)步驟成功打開ESP8266的AP模式，AP模式下WiFi芯片會(huì)開啟熱點(diǎn)功能供智能手機(jī)連接[9].手機(jī)成功連接WiFi熱點(diǎn)后，繼續(xù)下一步的配置來實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)和WiFi芯片的數(shù)據(jù)交換.

3.2 建立TCP傳輸協(xié)議

TCP是一種字流節(jié)服務(wù)，其傳輸穩(wěn)定，所以該文選用TCP傳輸控制協(xié)議，TCP協(xié)議的 “三次握手”示意圖如圖6所示.智能手機(jī)連接ESP8266散發(fā)出的WiFi網(wǎng)絡(luò)，通過TCP通信功能完成數(shù)據(jù)的傳輸.

圖6 TCP傳輸通信建立過程示意圖

因?yàn)門CP傳輸協(xié)議具有面向的特殊性，所以客戶端和服務(wù)端在連接建立完成之后，才可以互相交換數(shù)據(jù)流[10]，面向數(shù)據(jù)流傳輸概念圖如圖7所示.

圖7 TCP面向數(shù)據(jù)交換概念圖

3.3 智能手機(jī)APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該文采用智能手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波除垢系統(tǒng)的信號(hào)源頻率調(diào)節(jié)，其中，APP的設(shè)計(jì)主要包含四部分.

(1)根據(jù)需求進(jìn)行APP的功能開發(fā).為了實(shí)現(xiàn)頻率控制的功能，首先分析STM32調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率的原理，STM32使用PWM調(diào)整輸出波形的占空比.PWM原理圖如圖8所示，定時(shí)器向上計(jì)數(shù)，定時(shí)器重裝載值為ARR，比較值CCRx，t時(shí)刻對(duì)計(jì)數(shù)器值和比較值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)器值小于CCRx值，輸出低電平，如果計(jì)數(shù)器值大于CCRx值，輸出高電平.通過調(diào)整CCRx的值，可以調(diào)節(jié)輸出波形的占空比.所以，APP通過WiFi芯片發(fā)送CCRx數(shù)據(jù)流到MCU，即可控制波形的輸出頻率.

圖8 PWM的工作原理

(2)根據(jù)模塊的無線控制需求填寫設(shè)備的固定IP地址，ESP8266 WiFi芯片的固定IP地址是192.168.4.1.依據(jù)所需的IP輸入、端口輸入、連接設(shè)備、斷開設(shè)備連接功能以及需要發(fā)送的控制指令來設(shè)計(jì)APP的UI界面.選用seekbar控件控制數(shù)據(jù)流的輸出，seekbar控件的性質(zhì)是對(duì)一個(gè)固定的區(qū)間值進(jìn)行刻度化.然后通過左右滑動(dòng)seekbar控件可以將數(shù)據(jù)流傳送給WiFi芯片，達(dá)到傳輸無線控制指令的目的，APP的具體UI設(shè)計(jì)如圖9所示.

圖9 APP界面圖

(3)對(duì)APP中UI的所有控件進(jìn)行定義和綁定，同時(shí)開啟TCP通信功能.在工程項(xiàng)目組的MainActivity.java文件中建立TCP網(wǎng)絡(luò)通信，并且綁定筆者定義的控件，然后監(jiān)聽按鍵的事件信息，讀取信息并存儲(chǔ)相應(yīng)的端口代碼，定義每一個(gè)邏輯代碼的功能[11]，使APP中的控件實(shí)現(xiàn)所需要的功能.

(4)最為重要的一步是智能手機(jī)在讀取APP輸入的IP地址和端口號(hào)時(shí)，需要與連接WiFi的端口號(hào)和IP地址進(jìn)行比對(duì)，判斷其正確性，正確則進(jìn)行下一步的工作，不正確則進(jìn)行再次連接.連接成功之后，客戶端和服務(wù)端成功建立TCP通信模式，在TCP模式下使用Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換方式概念圖如圖7所示，整體通信流程框圖如圖10所示.

圖10 TCP模式下的Socket通信流程框圖

4 模塊的性能測試

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸功能測試

為了能夠直觀的測試出數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，使用網(wǎng)絡(luò)助手APP模擬WiFi芯片服務(wù)端的功能，將測試手機(jī)連接WiFi芯片AP模式下的無線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)助手APP設(shè)置為TCP服務(wù)器，此時(shí)會(huì)生成一個(gè)IP地址和端口號(hào).然后將模塊對(duì)應(yīng)的控制軟件MyTCP打開，連接到虛擬端口，調(diào)節(jié)seekbar，就可以在TCP服務(wù)器收到實(shí)時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)流，具體結(jié)果如圖11所示.

(a)APP界面 (b)網(wǎng)絡(luò)助手接收界面圖11 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

4.2 室外空曠條件下的傳輸功能測試

在室外空曠的環(huán)境下，無線控制模塊上電，然后利用網(wǎng)絡(luò)助手觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的傳輸測試，調(diào)節(jié)控制軟件的seekbar，查看網(wǎng)絡(luò)助手?jǐn)?shù)據(jù)接收情況，測試結(jié)果見表1.

4.3 室內(nèi)傳輸距離測試

在實(shí)驗(yàn)室中，將模塊放置在室內(nèi)，室內(nèi)有墻體作為干擾條件，會(huì)影響WiFi的傳輸距離.手持智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)室外的走廊中進(jìn)行距離測試，測試結(jié)果見表2.

表2 室內(nèi)距離測試

5 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的超聲波除垢系統(tǒng)信號(hào)源控制模塊，通過開發(fā)智能手機(jī)端APP，能夠?qū)崿F(xiàn)智能手機(jī)和WiFi芯片的通信，將控制指令通過WiFi芯片發(fā)送給MCU.主控芯片對(duì)接收到的指令，通過相應(yīng)的編程可以控制波形頻率.

實(shí)驗(yàn)表明，在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)在20 m之內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，室外環(huán)境簡單空曠的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)在100 m之內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸.通過測試說明，只要WiFi網(wǎng)絡(luò)能夠被智能手機(jī)連接，就可以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)控制端和模塊的通信，從而可以安全有效的傳輸數(shù)據(jù).

通過以上的實(shí)驗(yàn)證明，可以通過無線控制的方式解決不方便調(diào)頻的問題.另外，可以對(duì)WiFi芯片設(shè)置不同的端口號(hào)，實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)分別控制多臺(tái)設(shè)備的功能.