Projekt rozwojowy własny nr N R03-0053-06 finansowany ze Środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju

                                                   Inteligentne sterowniki pralek

W ramach projektu opracowano, wykonano, podłączono i przebadano dwa nowatorskie sterowniki pralek domowych: zaawansowany oraz uproszczony. W sterownikach tych, do komunikacji z użytkownikiem oraz do sterowania zastosowano wybrane metody sztucznej inteligencji. Analiza potrzeb i możliwości w zakresie sterowników pralek wykazała, że najlepszym rozwiązaniem, przynajmniej na etapie prowadzenia prac rozwojowych, będzie zbudowanie sterownika o strukturze modułowej, składającego się z:

• sterownika centralnego,
• modułu do komunikacji z użytkownikiem,
• modułu sterowania elementami dużej mocy,
• modułu zasilacza.

Przyjęto, że poszczególne moduły będą komunikować się ze sobą za pośrednictwem magistrali  szeregowej typy RS-485. Dzięki takiemu podejściu możliwe było opracowanie po kilka wariantów modułów każdego typu i wymienne ich konfigurowanie w zależności od potrzeb. Koncepcja ta zakładała, że poszczególne jednostki będą posiadały własne jednostki procesorowe. Tym samym, moc obliczeniowa oraz inteligencja sterowników została rozdzielona na poszczególne moduły. Taka organizacja sterownika pralki pozwala na równoległe opracowywanie poszczególnych modułów. Producent może zaś w sposób elastyczny dostosowywać elementy sterowników i funkcje pralek zarówno do bieżących warunków rynkowych i produkcyjnych, jak i do potrzeb klientów. To rozwiązanie otwiera także nowe możliwości dla kupujących, którzy będą mogli samodzielnie konfigurować pralkę i jej sterownik, podobnie jak ma to miejsce przy zakupie samochodu.

Sterownik zaawansowany zbudowano na bazie mikrokontrolera 32-bitowego z rodziny STM32, który wyposażono w szereg zaawansowanych sprzętowych możliwości podłączenia i sterowania. Zawiera on, między innymi oddzielne bloki: CPU, obsługi sensorów, komunikacji USB i RS485, pamięci EEPROM, komunikacji bezprzewodowej i kilka innych. Dla każdego z tych bloków wydzielono na płytce montażowej oddzielne pola, dzięki czemu dany blok może być montowany albo nie. Sam mikrokontroler montowany jest za pośrednictwem mikropłytki, dzięki czemu można szybko wymienić go na inny, nowszy model. Taki montaż pozwala też na łatwą jego wymianę w przypadku uszkodzenia. W drugim ze sterowników zastosowano mikrokontroler 8-bitowy z rodziny ATmega. Jest to wersja nisko kosztowa, która jednak posiada wszystkie najważniejsze możliwości sterowania pralką. Oba sterowniki wyposażono w elementy umożliwiające komunikację szeregową w standardzie RS-485, dla której opracowano i zaimplementowano specjalny dla potrzeb sterowania pralką, protokół komunikacyjny.

Sterownik zaawansowany wyposażony jest w wymienny moduł pamięci EEPROM, dzięki czemu można szybko go wymienić podczas serwisu. Dodatkowo na płycie głównej sterownika umieszczono bloki:

• przekaźników małej mocy i oddzielnie dużej mocy, które mogą być zastąpione modułami triaków,
• komunikacji Bluetooth, który pozwala na połączenie np. z telefonem komórkowym albo laptopem,
• głosowy (mówiący), który generuje komunikaty głosowe,
• komunikacji radiowej z tzw. pagerem, do którego sterownik może przesłać komunikaty o np. awarii, zakończeniu prania itp.,
• pomiaru wibracji bębna w oparciu o akcelerometry MEMS, co umożliwia wykrywanie niebezpiecznego niewyważenia bębna,
• brzęczyka, generujący dźwięki informujące np. o zakończeniu prania,
• pomiarowy, który można wykorzystać do podłączenia nowych, nietypowych czujników, np. do pomiaru zabrudzenia wody albo do pomiaru masy wsadu.

Sterowniki główne wyposażono również w blok do komunikacji USB, co pozwala na ich przewodową łączność z komputerem klasy PC. Dzięki temu, możliwe jest testowanie pracy sterownika i całej pralki w trybie serwisowym. To rozwiązanie umożliwia łatwiejszą lokalizację błędów i uszkodzeń, co zmniejsza koszty napraw pralek, w pierwszym okresie eksploatacji po stronie producenta (naprawy gwarancyjne), a później po stronie użytkownika (naprawy płatne). Sprawdzenie stanu sterownika i pralki będzie  także możliwe na odległość, za pośrednictwem łącza internetowego, korzystając z oprogramowania serwisowego, które może zostać zamieszczone na stronie producenta.

W ramach projektu zaprojektowano i wykonano kilka modułów interfejsu użytkownika. Każdy z nich wyposażony jest we własny mikroprocesor. Najprostszy interfejs wykorzystuje przyciski i diody oraz wyświetlacz  LED. W kolejnych interfejsach zastosowano monochromatyczny, a następnie kolorowy wyświetlacz dotykowy. Dzięki temu możliwe jest wyświetlanie obrazów graficznych, a nawet animacji. Wyświetlacze kolorowe nie są jeszcze do tej pory stosowane w pralkach automatycznych (spotykane są jedynie monochromatyczne wyświetlacze graficzne), a  zaproponowane rozwiązanie ma charakter innowacyjny. Zwiększa ono komfort użytkowania, oraz uatrakcyjnia wygląd sterownika i samej pralki. Kolejnym nowatorskim rozwiązaniem, nie spotykanym do tej pory w pralkach, jest zastosowanie telefonu komórkowego, do programowania. W ramach projektu napisano i zaimplementowano oprogramowanie do programowania pralki metodą klasyczną – poprzez wybór programów oraz tak zwaną metodą inteligentną – poprzez lingwistyczne określanie parametrów prania. Ta druga metoda jest podobna do logiki rozmytej. Podobne oprogramowanie napisano i zaimplementowano także w komputerze klasy PC. Dzięki temu użytkownik może zrezygnować z interfejsu montowanego w pralce i korzystać zarówno z telefonu komórkowego,  jak i komputera domowego. Dodatkowo, w obu tych rozwiązaniach zaimplementowano możliwość programowania i komunikacji głosowej ze sterownikiem pralki. Słowa wypowiadane przez użytkownika są rozpoznawane przez telefon albo komputer i wypowiadane do akceptacji. Korzystając z tej metody można za pośrednictwem komend głosowych określić np. rodzaj bielizny, temperaturę, czy też prędkość wirowania. Wydaje się, że rozwiązania tego typu będą stosowane w niedalekiej przyszłości do programowania i kontroli wielu urządzeń domowych i przemysłowych.

Kolejnym zaprojektowanym i wykonanym układem był moduł mocy, zawierający elementy do załączania grzałki i pompy oraz wysoko zaawansowany technicznie sterownik silnika. Pozwala on na sterowanie w szerokich granicach prędkością obrotową nowoczesnego silnika synchronicznego, nazywanego „direct drive”. Silnik ten jest stosowany tylko w niektórych, droższych modelach pralek. Charakteryzuje się on bardzo dobrymi parametrami pracy.

Ostatnim, opracowanym i wykonanym był moduł zasilacza, który dostarcza wszystkich napięć niezbędnych do zasilania sterownika pralki. Jest on zabezpieczony przed przepięciami. Zapewnia obsługę procesu włączenia i wyłączenia, a także wykrywa zanik zasilania w gniazdku i „informuje” o tym fakcie sterownik. Dzięki temu sterownik może zapisać w pamięci aktualny stanu pracy pralki, co pozwala na prawidłowe wznowienie pracy po przywróceniu zasilania.

Poszczególne moduły zaprojektowano tak, aby mogły być uznane za niezależne, także w rozumieniu odpowiednich przepisów i dyrektyw bezpieczeństwa. Dzięki temu, producent może znacznie szybciej i taniej zmienić pojedyncze funkcje sterownika, bez konieczności przeprowadzania stosunkowo długiego i kosztownego procesu certyfikacji bezpieczeństwa dla całego sterownika. Proces certyfikacji jest w takim przypadku ograniczony tylko dla nowego elementu. Rozwiązanie takie wymagało zastosowania takich rozwiązań sprzętowych w poszczególnych modułach składowych, aby każdy z nich, niezależnie od stanu innych modułów, nie stanowił zagrożenia dla pracy pralki w dowolnym momencie i stanie.

W ramach projektu zbudowano także symulator awarii pralki – będący stanowiskiem eksperymentalnym, do którego podpina się sterownika. Stanowisko to pozwala zasymulować najczęstsze awarie pralki takie jak przerwanie obwodu, brak sygnału z dowolnego sensora, odpięcie się wtyczki, przepalenie się grzałki itp. Symulator awarii został stworzony w celu wspomagania procesu testowania programu sterownika na etapie jego opracowywania przez producenta. Dzięki niemu badano także możliwości wykorzystania technik sterowania odpornych na błędy. Wykonane sterowniki zostały oprogramowane, podłączone i sprawdzone.