2024年4月5日发(作者：)

基于物联网的共享洗衣机平台设计与实现

陈添威;韩磊;胡建鹏;荆翔

【摘 要】基于物联网设计共享洗衣机平台,通过将微控制器、通用分组无线服务技

术(GPRS)等硬件模块与云计算、移动计算技术相结合,改造传统洗衣机控制系统,实

现在手机端进行洗衣预约、在线支付、模式选择等功能.用户可以通过微信公众平

台或手机APP查询洗衣机运行状态的实时信息,解决了传统投币式洗衣机需排队等

待、现金支付、洗衣模式单一等弊端.从投放初期的市场反响来看,共享洗衣机平台

既方便用户自助洗衣,又降低商家运营成本,有较好的市场前景.

【期刊名称】《上海工程技术大学学报》

【年(卷),期】2018(032)002

【总页数】5页(P179-183)

【关键词】物联网;共享洗衣机;通用分组无线服务技术(GPRS)

【作 者】陈添威;韩磊;胡建鹏;荆翔

【作者单位】上海工程技术大学电子电气工程学院,上海201620;上海工程技术大

学电子电气工程学院,上海201620;上海工程技术大学电子电气工程学院,上海

201620;上海工程技术大学电子电气工程学院,上海201620

【正文语种】中 文

【中图分类】TP393.4

随着共享经济概念的流行,衍生出大量的共享平台,如共享单车、滴滴出行和知乎等

具有相当规模和一定名气的共享平台[1].共享经济模式的兴起不仅为人们日常生活

提供了便利,打破了人们过去对物品私有化的观念，也在一定程度上拉动了IT行业

软硬件生产、无线通信领域、信息终端等产业的高速发展.在2005年的信息社会

世界峰会上,物联网概念首次被明确.大会指出信息与通信技术的目标已经从满足人

与人之间的沟通发展到人与物、物与物之间的沟通.通俗地讲,物联网就是物物相连

的互联网[2].

共享洗衣机平台的设计与实现是基于共享经济这一理念实现传统设备的物联网改造.

目前国内大多数高校、酒店、公共宿舍楼等仍使用老式的投币洗衣机或刷卡洗衣机

[3]，但工作时间不可预约,导致许多客户排队等待;洗衣模式单一,导致许多名贵衣物

可能损坏;现金支付且需要硬币等诸多弊端限制了投币洗衣机在市场上的进一步发

展，于是基于物联网的共享洗衣机应运而生[4].

1 平台总体方案设计

本平台的设计既要有利于用户轻松实现人机交互,不用排队洗衣,又要有利于运营商

合理安排设备,提高效率.在设计之初充分考虑到投币洗衣机没有传送实时工作状态

的缺点,通过加入通信服务器将用户手机端与洗衣机端连接起来,平台体系结构如图

1所示.平台总体设计方案从软件设计与硬件设计两方面出发.软件设计方面,首先进

行测试版的Web App编写,经过实际测试后再移植到主流手机操作系统iOS和

Android上;接着研究开发具有可扩展、响应速度快的Web云端服务器实施方案;

同时,运用弹性伸缩云计算技术,在面对客户数量剧增的情况下能够第一时间提高服

务器处理能力,避免出现服务器崩溃、服务请求响应不及时的情况.硬件设计方面主

要是洗衣机的显示部分、通信部分和控制部分.在软硬件均设计完成后进行系统联

调,完善总体功能.

图1 共享洗衣机平台体系结构Fig.1 Architecture of sharing washing

machine platform

根据平台总体设计方案,具体再划分成5个小模块,分别为云端服务器、通用分组无

线服务技术(GPRS)模块、单片机信息处理模块、洗衣机控制模块和手机客户端模

块.系统软硬件模块结构如图2所示.系统的基本工作流程为:使用单片机控制GPRS

模块与云端服务器建立通信；从云端服务器获取洗衣机的工作状态以及用户信息,

回传的信息就是AT指令；服务器端设置一个监听端口,在SIM300处设置端口连

接,待GPRS模块连通后就可以收发数据；对接收的数据进行判定是否收发完毕，

既判定洗衣作业是否完成,又将相应的判定结果返回到云端服务器,同时发送信息到

客户端,这样客户即可实时查看衣物清洗状态信息.

图2 系统软硬件模块结构图Fig.2 Software and hardware modules

structure of washing machine

2 软件设计

2.1 Web App开发设计

由于研发主流手机操作系统的App成本过高且耗时太多,所以首先在网页上进行测

试版的Web App开发,步骤如下.

1) 分析用户需求:客户端业务流程图如图3所示.该App需要具有查询空闲洗衣机,

实现一键预约以及上门取送衣物,根据衣物种类选择不同清洗模式以及在线支付等

主要功能.次要功能主要为开设个人中心模块,让用户完成注册,每次洗衣完成后得到

相应积分并以此来进行相应的活动来促销,提供较好的用户使用体验.

2) 产品原型设计:调查用户的使用习惯并以此为基础进行分析,设计业务流程图以及

大致要实现的功能,以此为基础设计App的使用结构,模拟出界面基本结构,进行界

面的初步搭建.

3) UI视觉设计:美化产品原型的页面设计,设计出既人性化又简单明了的符合用户审

美的操作界面.

图3 客户端业务流程图Fig.3 Business process diagram of clients

4) 数据库搭建:分析用户需求并按照整理出来的功能数据处理情况,建立合理的数据

库表结构,优化数据处理算法,提升数据的处理效率,保证用户在使用App过程中数

据的安全性、准确性、稳定性和及时性.

5) Web服务端开发:采用PHP+MySQL进行开发,基于Web开发的最佳组合

“LAMP模式”(Linux 操作系统、Apache网络服务器、MySQl 数据库、PHP语

言).

6) iOS客户端开发和Android客户端开发:在iOS客户端以Xcode为平台,运用适

用于最新系统iOS 10的swift语言进行程序编译.使用CoreLocation进行定位,实

现一键预约、定位推荐的功能.使用AVFoundation框架读取与解密二维码,通过向

支付宝或微信等在线支付平台申请进程识别号(PID)和下载软件开发工具包(SDK)来

实现扫码洗衣和在线支付的功能;Android客户端则在基于Java的开放源代码的可

扩展开发平台Eclipse上进行开发.使用Eclipse+JDK+Android SDK+Android

Developer Tools组合开发Android应用,是目前非常主流的Android开发平台

[5].

2.2 云端服务器

在调研国内较成功的共享单车云端服务器设计方法后,本平台设置系统管理员、运

营管理员、商户和用户等不同角色，利用基于角色的权限访问控制(RBAC)实现用

户角色的访问控制.此思想是在用户和访问权限之间引入角色的概念,将用户和角色

联系起来,通过对角色的授权来控制用户对系统权限和功能的访问.角色是访问权限

的集合,通过赋予用户不同的角色使其获得角色所拥有的访问权限.一个用户可拥有

多个角色,一个角色可授权给多个用户;一个角色可包含多个权限,一个权限可被多个

角色包含.用户通过角色享有权限,它不直接与权限相关联,权限对存取对象的操作许

可是通过角色实现的.系统利用RBAC可更好地管理不同用户和权限,提高系统安全

和稳定性.

通过第三方短信服务器(SP)提供的短信应用程序编程接口(API)发送接口与系统中

相关模块集成,实现短信发送.在实际应用中将其设置为提前5～10 min提示用户其

衣物即将清洗完毕,这可以有效地避免因客户忘记取回衣物导致洗衣机长时间处于

待机状态.利用PHP结合jQuery框架中的Ajax实现计划任务、定时执行功能.通

过用户设定相关计划任务,系统定时检测任务时间是否到达,时间到时,相应任务被执

行,并将执行结果即时显示到界面上,达到数据信息同步更新.利用实现信息

推送功能,该平台的构建基于Chrome's JavaScript runtime对引擎Google V8进

行封装，是一套用来编写高性能网络服务器的JavaScrip工具包.系统利用Nodejs

的扩展做服务端,PHP页面和Android应用作为客户端实现消息推

送.

3 硬件设计

3.1 微控制器(MCU)

洗衣机控制器各部分功能电路是一系列相对独立的模块,各模块在单片机的控制下

完成各自功能.本系统从显示部分、通信部分和控制部分3部分进行设计,控制器结

构如图4所示.

图4 洗衣机控制器结构图Fig.4 Architecture of MCU

在本设计中,处于核心位置的是主控MCU,由于洗衣机本身的控制流程并不复杂,而

GPRS通信流程较为复杂,因此本设计采用意法半导体公司的Cortex-M0系列单片

机,该单片机主频48 MHz,具有32 K内部Flash,采用LQFP32封装,该单片机的整

体性能以及可用输入/输出(I/O)接口个数完全满足使用要求.较之市场上其他同类型

的产品,采用Cortex-M0可升级处理器性能，同时更加节能.由于单片机的工作常

会受到来自外界的电磁场的干扰,会造成程序错误而陷入死循环,造成系统瘫痪,因此

出于对单片机运行状态的实时监测的考虑,生产出一种专门用于监测单片机程序运

行状态的模块或芯片,俗称“看门狗”.由于本平台使用的洗衣机为商务洗衣机,不同

于家用洗衣机,它需要24 h保持上电模式,即使洗衣机并不处于工作状态,单片机和

GPRS模块也要保证工作的稳定性,因此采用TI公司的TPS3823芯片作为外部看

门狗,同时程序上启用单片机的内部看门狗功能,保证单片机持续稳定运行.

考虑到洗衣机的工作流程一般需经过3次漂洗，如图5所示,因此在本设计中采用

窗口看门狗.从APB1时钟分频后得到时钟驱动,通过可配置的时间窗口来检测应用

程序非正常的过迟或过早操作.其设置步骤分为:使能WWDG时钟，设置窗口值和

分频数，开启WWDG中断并分组，设置计数器初始值并使能看门狗和编写中断

服务函数.

图5 洗衣机工作流程图Fig.5 Workflow chart of washing machine

3.2 GPRS通信模块

基于前期市场调查时发现其他类型的共享产品会出现网络传输不稳定、浪费流量等

弊端,本设计采用较于全球移动通信系统(GSM)更加先进的是一种基

于2G和3G蜂窝通信系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连

接.GPRS以封包(Packet)形式传输,使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,

并非使用其整个频道,理论上较为便宜[6].GPRS传输速率的最高理论值可达171.2

kB/s,实际使用中一般为20～40 kB/s,完全可以满足洗衣机的联网需求.本系统

GPRS通信部分为系统的关键部件,为适应市场的需求,采用SIM800C作为GPRS

通信模块,该模块具有体积小且自带蓝牙通信功能,支持工作频率较广,如

GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz等.SIM800C可实现全球使用,支持电信、

移动、联通三网通,利用MCU的串口通信功能,Cortex-M0的PIN46与PIN47串

口可以与SIM800C的TTL串口RXD/TXD交叉相连[7],并以此接收控制指令,使用

起来更加灵活便捷.为保证系统长时间稳定工作,GPRS模块的供电采用PMOS晶体

管进行控制,当单片机检测到GPRS模块工作不正常时,自动重启GPRS模块,保证系

统能够快速重启,确保用户体验.洗衣完成后,客户可以接收到来自App和短信的双

重提示.

3.3 数码管显示模块

为节约成本,同时方便驱动数码管,需减少单片机的I/O接口引脚使用数量从而降低

电路复杂程度,提高设备的使用寿命.本设计采用数码管专用驱动芯片TM1650实现

数码管的驱动[8],TM1650性能稳定、质量可靠、抗干扰能力强,可适用24 h长期

连续工作的应用场合，显示模块系统组成如图6所示.数码管由8个发光二极管构

成,可用来显示数字、字符等,具体应用为显示洗衣剩余时间、洗衣重量、数量等,具

有显示醒目、直观的优点.

图6 数码管显示模块Fig.6 LED display module

4 平台功能实现

考虑客户需求,平台前端App初期开发大致分为:查询预约、用户中心和售后服务.

首先,预约洗衣功能模块通过获取用户的地理位置,查询用户附近正处于空闲状态的

洗衣机并反馈到用户端,用户可实时下单;若机器均处于工作状态,用户可使用预约功

能设置空闲提醒,其主要功能界面如图7所示.其次，注册用户可在用户中心功能模

块下实时查看订单状态,从而及时取回衣物,节省时间；此模块还加入了积分、返现、

优惠券等活动模块.平台管理后台使用PHP和MySQL数据库实现,通过对不同角色

的授权来控制用户对系统权限和功能的访问.主要管理功能包括用户管理、商户管

理、提现管理、洗衣点管理、洗衣设备管理和数据报表管理.系统使用简单,界面简

洁明了,数据实时更新.对于商户来说,摆脱了人工对账的烦恼,收入一目了然;支持多

种收入结算模式,省事省心;提现功能比较完善,收入可随时进账.

图7 App操作界面Fig.7 Operation interface of App

5 结 语

本系统利用单片机实时采集数据并通过

GPRS上传到服务器和用户端,节省用户时间使得洗衣变得更加智能、高效;App一

键支付,轻松实现人机交互,对运营商来说,电子货币的使用更加安全高效,降低运营成

本,对用户来讲减少了自备零钱的烦恼.第一代产品已在3个省市,10余所高校投入

使用，共300多台设备,有近10万大学生体验了共享洗衣机.根据统计,其故障率大

约为4‰,相比投币式洗衣机，故障率有了明显的改善,并且因为其短信与App双

重提示可以敦促用户及时取回洗净的衣物,避免了由于用户忘记取回衣物而长时间

占用机器导致排队时间过长的情况,节省了用户时间.由于其安全高效、稳定便捷的

特点,目前已在众多高校中完全取代老式投币洗衣机.从初期投放市场的反应来看,基

于物联网的共享洗衣机平台具有广阔的市场前景.

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