基于信息物理系统的智能洗衣机控制器的仿真与设计

沈澍 刘小雨 顾康

摘  要： 信息物理系统（CPS）的出现使得许多技术发生了巨大的革新，智能洗衣机的发展也可以利用信息物理系统。通过采集洗衣过程中的水浓度信息，控制器可以自行判断是否完成全部洗衣工作，实现了无固定洗涤流程的洗衣过程。利用了有限状态机的思想并在FPGA平台上进行开发，更加简洁直观的实现所需功能。测试结果表明，该控制器能够实现所述功能，可以有效解决洗涤残留以及资源浪费等实际问题。

关键词： 信息物理系统; 智能控制器; FPGA; 有限状态机; 反馈控制

中图分类号：TP391.8          文献标志码：A     文章编号：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

洗衣機的出现在很大程度上减轻了人们家务方面的压力。但是，随着人们对生活质量的不断追求，现有的洗衣机并不能满足所有用户的需求[1]。一是，固定的洗衣流程无法灵活的满足所有用户的需求。二是，洗衣粉用量的不同可能会导致水资源的浪费或洗衣粉的残留。因此，对智能洗衣机控制器的研究是十分必要的。

本文实现的是基于信息物理系统（CPS）的智能洗衣机控制器仿真与设计。CPS定义了物理与信息两种元素，它常常会与一个或多个反馈控制回路相结合，且物理进程与信息元素之间会相互影响[2-5]。本文用反馈控制回路的思想，通过物理条件来判断洗衣是否结束，实现了非固定的洗衣流程[6-7]。

FPGA是一种在专用集成电路领域中作为半定制电路而出现的芯片，具有效率高、实时性好、成本低、灵活性强等优点。通过对各种实现途径的详尽分析，本文最终选用FPGA作为硬件平台，并利用硬件描述语言Verilog HDL对有限状态机中的每个过程进行仿真，实现了更加灵活与高效的洗衣过程[8-12]。……