董佳興，武志濤*，單俊超，李科瑾，張麗雯，吳佳鴻

（遼寧科技大學 電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114000）

引言

隨著“智能家居”逐漸走入人們的視野，然而目前市場上很難找到一款真正意義上的“智能家居”。與此同時，辦公室一族高強度的工作壓力讓這個群體積勞成疾，如何將智能家居引入辦公室，在緩解人們工作壓力的同時，讓人們更好養(yǎng)成一個健康的辦公習慣。針對于以上的問題，我們項目組研究了一款多功能辦公桌，擁有辦公桌上追蹤手機無線充電、升降桌腿、傳遞水杯、智能感應以及透明屏幕創(chuàng)意等功能[1]。

1 系統(tǒng)框圖

以STM32 和openmv 雙系統(tǒng)的通信聯(lián)調(diào)為主，通過電磁感應式無線充電線圈、電磁鐵模塊、oled 屏幕、hc-06 藍牙模塊、步進電機驅(qū)動模塊以及鋁材滑軌等機械結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)openmv 的視覺技術(shù)實現(xiàn)對桌子上的可充電物品進行追蹤無線充電的功能；根據(jù)單片機內(nèi)置定時器和攝像頭結(jié)合來實現(xiàn)工作人員的工作時間來自動升降桌腿功能；根據(jù)滑軌與電磁鐵模塊的結(jié)合來定時傳遞水杯功能；根據(jù)oled 透明液晶屏幕的特性設計一款個性化的科技感透明屏幕桌面，做到桌面智能化和自動化。其系統(tǒng)框圖見圖1[2]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設計

2.1 處理器模塊的選擇及功能介紹

處理器主要采用STM32F103ZET6 作為整體軟件控制框架的控制芯片，此芯片為STM32 系列單片機,片內(nèi)最多高達112 個快速IO 端口、12 通道DMA 控制器、3 個12 位的A/D 轉(zhuǎn)換器、多達11 個定時器，13 個通信接口，并且支持SPI 和I2C 通信，內(nèi)置的資源滿足本設計多功能辦公桌的所有功能需求，并且可以通過通訊接口與openmv 攝像頭模塊的內(nèi)控進行信息通訊，兼容性很強，并且該芯片還具有低功耗、低成本、高性能和集成度高等優(yōu)點。

2.2 攝像頭驅(qū)動電路的設計

攝像頭控制電路采用的是openmv 高度集成攝像頭，該攝像頭是一個開源、低成本、功能強大的機器視覺模塊，自帶STM32 處理器，集成OV7725 攝像頭芯片，可以對攝像頭傳感的圖像進行自處理，并可與機器人主處理器進行通訊。

openmv-H7 是一種可編程機器視覺硬件，通過和OV7725 攝像頭的結(jié)合可以支持一系列廣泛的圖像處理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡，在通過IDE 的允許條件下，可查看幀緩沖器和訪問傳感器控件。STM32H743 是該模塊基板的MCU，具有32 位的Cortex-M7 內(nèi)核芯片，具有雙精度浮點處理單元FPU，可以實現(xiàn)攝像頭自主進行圖片處理，在使用的時候只需要與本設計的主控制器進行有線/無線的串口通信即可[3]。

2.3 無線充電電路的設計

無線充電電路采用電磁感應式無線充電技術(shù)，電磁感應就是給初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。本設計該部分電路將220 V 的交流電通過橋式整流電路變成直流電，然后通過電容濾波作用變成脈動直流電，脈動直流電在高頻逆變開關(guān)電路基礎上變成高頻可變的交流信號，再通過高頻RC 振蕩電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射出去，發(fā)射出來的高頻交流信號在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應電流，在通過整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路，給手機、無線鍵盤等一些待充電物品充電[4]。

2.4 電磁鐵模塊電路的設計

電磁鐵模塊電路采用keyes 研發(fā)的一種吸盤式電磁鐵模塊，該模塊電路設計了3 個接口，分別是VCC、GND 以及信號線接口，通過給信號線接口脈沖來控制電磁鐵產(chǎn)生磁力的時間，相較于其他電磁模塊來說，控制更加穩(wěn)定和簡單。

2.5 藍牙模塊電路的設計

藍牙模塊驅(qū)動電路采用hc-06 藍牙模塊?？梢詫崿F(xiàn)AT 指令來設置和查詢參數(shù)，也可以實現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)透傳，可通過模塊上電后使KEY 引腳接VCC 來進入AT 狀態(tài)，通過“AT+＜=PARAM＞”指令結(jié)構(gòu)來設置參數(shù)格式，實現(xiàn)修改藍牙名稱、地址、波特率、記憶指令和主從狀態(tài)等功能。該型號藍牙通訊范圍較大，通訊環(huán)境穩(wěn)定[5]。

2.6 步進電機驅(qū)動電路的設計

步進電機驅(qū)動電路采用五線四相步進電機和MINI ULN2003 驅(qū)動模塊，步進電機不能直接在工頻直流電源上工作，必須通過驅(qū)動模塊與其直接耦合，實現(xiàn)對步進電機微控制器的功率接口功能。MINI ULN2003 步進電機驅(qū)動模塊是五線四相步進電機的一種專用驅(qū)動電路，該電路引出了5P 排針插座，可與電機直接連接，板載ULN2003A 驅(qū)動芯片，通過單片機芯片對芯片引腳的io 輸出脈沖信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動時間[6]。

2.7 oled 屏幕電路的設計

oled 屏幕電路選擇的是55 英寸透明oled 液晶屏幕，oled 是一種自發(fā)光有機二極管，每一個像素都可以獨立開啟和關(guān)閉，本設計應用的屏幕模塊采用了專業(yè)的光學LED 燈珠使透光均勻，節(jié)能低耗，使用樹莓派高集成控制對屏幕建立hdmi 接口連接，通過拓展口協(xié)議進行屏幕讀寫，從而實現(xiàn)對透明屏幕的創(chuàng)意設計。

3 系統(tǒng)程序的軟件設計

3.1 追蹤無線充電功能

該部分通過openmv 攝像頭模塊對充電物品的特征庫識別，將特征存儲在內(nèi)控芯片的基礎記憶庫里，在設計結(jié)構(gòu)時將openmv 架在辦公桌上方，對桌面建立識別坐標系，通過對桌子上物品的特征識別判斷是否為充電物品，特征庫比對正確后通過藍牙模塊對主控STM32 芯片發(fā)送物品坐標，主控接收到之后控制步進電機攜帶無線充電線圈移動到待充電物品下方進行充電。該部分控制流程見圖2。

3.2 定時自動升降桌腿功能

該部分通過openmv 攝像頭模塊對辦公桌面建立的坐標系區(qū)域（根據(jù)像素點分配），將桌面固定的辦公區(qū)域規(guī)劃在坐標系中，當檢測到辦公區(qū)域的灰度值到達閾值之后，openmv 通過藍牙模塊向STM32 主控發(fā)送指令，主控調(diào)用定時器函數(shù)開始計時，設置時間標志位，到達標志位之后控制步進電機的滑軌裝置，將滑軌帶動桌腿進行升降操作。該部分控制流程見圖3[7]。

3.3 自動傳遞水杯功能

該部分與自動升降桌腿功能結(jié)合，主要通過吸盤式電磁鐵模塊和步進電機滑軌裝置來實現(xiàn)對水杯的自動傳遞（固定位置）。

3.4 創(chuàng)意透明桌面功能

該部分通過樹莓派對oled 透明桌面進行創(chuàng)意設計，在樹莓派中安裝linux 系統(tǒng)，利用C++語言在QT的控件庫中設計圖片模型，利用布局和邏輯代碼實現(xiàn)圖片的運動等一些動畫操作，通過拓展口協(xié)議對oled液晶屏幕進行創(chuàng)意顯示功能，也可以調(diào)用linux 操作系統(tǒng)將日期時間實時顯示在屏幕上，留出鍵盤接口，可以實現(xiàn)工作人員的備忘錄編寫，存儲在主控的內(nèi)置存儲空間[8]。該部分流程見圖4。

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

本研究采用Protues 仿真軟件進行系統(tǒng)仿真調(diào)試。利用其對虛擬單片機仿真具有豐富的器件庫、完善的電路仿真功能等多個優(yōu)點，對本系統(tǒng)的實驗效果進行仿真調(diào)試。

4.1 系統(tǒng)仿真實驗電路圖

本系統(tǒng)的仿真電路圖，其中包含各種實現(xiàn)功能的模塊，能夠在仿真中模擬系統(tǒng)要求的各種功能。

4.2 系統(tǒng)功能仿真

4.2.1 無線充電

220 V 的交流電通過橋式整流電路的方式變成直流電，然后通過電容濾波作用變成脈動直流電，脈動直流電在高頻逆變開關(guān)電路基礎上變成高頻可變的交流信號，在通過高頻RC 振蕩電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射出去，發(fā)射出來的高頻交流信號在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應電流，在通過整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路，給手機無線鍵盤等設備充電。

4.2.2 視覺識別

對桌面建立坐標系，對手機進行特征識別，建立特征庫，利用openmv 模塊識別特征物，計算特征物坐標之后再通過hc-06 藍牙模塊將坐標數(shù)組發(fā)回STM32 主控，發(fā)現(xiàn)手機在桌面的充電范圍后進行特征對比，對比成功進行充電。充電結(jié)束之后，步進電機控制無線充電歸位。

4.2.3 定時升降桌腿

編寫openmv 攝像頭模塊，將桌面所在的區(qū)域建立坐標系之后，當其中灰度達到閾值之后，藍牙發(fā)送指令給STM32 主控，其向步進電機發(fā)送一個配置好的脈沖。會控制步進電機的滑軌裝置，帶動桌腿的升降。針對辦公人員的健康辦公，以一個小時低位、二十分鐘高位為一個周期，進行定時升降桌腿，提醒辦公人員，定時工作，達到健康規(guī)劃管理的效果。

4.2.4 定時傳遞水杯

該部分主要由吸盤式電磁鐵和步進電機滑軌裝置運行。編寫定時器，當其達到定時標志位時，給電磁鐵一個信號使之產(chǎn)生圓形磁場。并且向步進電機發(fā)射脈沖，通過控制滑軌結(jié)構(gòu)定時傳遞水杯提醒辦公人員喝水。

4.2.5 屏幕桌面

利用樹莓派驅(qū)動大透明屏幕，樹莓派可以通過linux 系統(tǒng)控制對屏幕建立hdmi 接口，設計qt 文件，再利用拓展口對屏幕進行創(chuàng)意顯示，實現(xiàn)提示輸寫和創(chuàng)意顯示等功能。并且可以利用linux 操作系統(tǒng)在屏幕上顯示日期，通過預留的鍵盤接口，還可以實現(xiàn)備忘錄的編寫以及其他信息的留存等功能，并且有主控內(nèi)部的獨立儲存空間[9]。

5 結(jié)論

全文從項目背景、系統(tǒng)框圖、硬件電路搭配、程序軟件設計、系統(tǒng)仿真調(diào)試幾個方面論述了該桌子在智能家居市場的創(chuàng)新點以及優(yōu)秀的競爭力[10]。我們團隊也將不斷創(chuàng)新發(fā)展，力爭設計出功能更加強大，更符合現(xiàn)代人日常生活的智能家居。