基于物聯網的智能家用風扇控制系統設計

陳述涵

摘? ?要：電風扇是夏季家庭必備的降溫消暑電器，針對目前電風扇工作模式單一，操作不方便等不足，基于物聯網技術設計一種智能風扇控制系統，該系統以嵌入式控制器STM32F103C8T6為核心，設計人體位置感知模塊、溫度感知模塊和WIFI通信模塊，實現風向自動跟蹤，風速自適應調整，且可以通過用戶界面友好的手機APP操作電風扇的運行。

關鍵詞：電風扇? 智能家居? 嵌入式系統? WIFI? 手機APP

中圖分類號：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0145-02

目前，國內市場上雖然出現了一些機械定時風扇，能夠控制風扇在工作一定時間后關閉，但定時范圍有限，且無法對溫度變化靈活處理。其次，傳統風扇不能根據外界溫度的變化對風扇轉速快慢進行調整，也不能對風扇的開關與否進行自動控制[1]，針對這些痛點，最近幾年也出現了一些遙控功能的電風扇，方便了用戶的操作，但這些電風扇普遍存在工作模式單一，操作不方便等缺點，滿足不了人們對操作方便性和感覺舒適性的要求，本設計實現風向自動跟蹤，風速自適應調整，且可以通過用戶界面友好的手機APP操作電風扇的運行，大大提高了使用的便利性和舒適性。

1? 系統整體設計

本設計按照物聯網分層結構來看，包含三層，如圖1所示，最底層是感知與執行層，實現人體位置感知、溫度的測量以及風速和風向電機的控制;中間層是網絡通信層，本系統采用WIFI通信，實現控制系統和手機的數據傳輸;最上層為應用層，主要是具有用戶界面友好的手機APP。

感知與執行以及網絡通信的硬件系統實現是以嵌入式控制器STM32F103為核心，設計人體位置感應模塊、溫度感知模塊和WIFI通信模塊等，如圖2所示。

2? 系統硬件設計

系統硬件包括中央處理器、人體位置感知模塊、溫度感知模塊、WIFI通信模塊、電機控制模塊、操作面板以及智能手機等七個部分。其中智能手機無需設計硬件，安裝風扇控制APP（FAN-APP）即可，下面重點設計其他的六個部分。

2.1 中央處理器

本系統采用STM32F103C8T6嵌入式控制器為中央處理器。 STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，工作電壓2V～3.6V，是一款優秀分高性能低成本的家庭嵌入式微控制器，主頻速度為72MHz，外圍設備包括DMA，電機控制PWM，溫度傳感器，輸入/輸出數：37，程序存儲器容量：64KB FLASH[2]。

該控制器具有大容量的存儲器和電機控制PWM，非常適合本系統要求，減少了外圍電路的設計，降低了成本。

2.2 人體位置感應模塊

為了實現風向能夠自動跟蹤人體功能，設計了熱釋電傳感器，應用熱釋電效應，當傳感器檢測范圍內溫度有ΔT 的變化時，因熱釋電效應會在2 個電極上產生電荷ΔQ，即在2 個電極間產生微弱的ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ 會隨空氣中的離子結合而消失，當環境溫度穩定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出[3]。

根據人體自身紅外輻射的特性，本系統通過紅外熱釋電傳感器實現人體的實時追蹤，根據跟蹤信號控制電機，從而間接控制風扇的風速、轉向、高度，實現風扇的智能調節。

2.3 溫度感知傳輸模塊

在系統溫度控制系統的設計中，溫度傳感器使用DS18B20傳感器，能夠實現-55℃～+125℃的測溫范圍，并且固有測溫分辨率0.5℃，在實際運行中不需要再次添加其他外圍原件。其內部結果包括溫度傳感器、64位光刻ROM、配置寄存器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL。DS18B20傳感器采用獨特的寄生電源供電方式，具有無需本地電源、無常規電源讀取ROM、電路簡潔、一根I/O口實現測溫等優點[4]。

DS18B20 傳感器采用I2C通信，DQ、GND和VDD三個引腳與處理器的GPIO、地和電源相連接即可。

2.4 WIFI通信模塊

目前無線通信技術種類繁多，有藍牙，紅外，RFID，ZIGBEE，NFC，WIFI等技術。其中WIFI技術作為目前最常用的一種標準短距離無線通信協議，其傳輸速率高于藍牙和ZigBee技術，傳輸距離相對較遠，可達一百米，組網簡單，只需在適當的位置放置一個熱點，因此，WIFI成了我們生活中不可或缺的無線通信技術，并且智能手機一般標配WIFI通信模塊。

本系統采用ESP8266WIFI模塊，它是一個集成度很高的芯片，里面包括天線開關，電源轉換器等。需要的外圍電路非常少，還是獨立的WIFI網絡實現方案，具有很強的片上存儲以及運行處理能力，完全可以通過GPIO 口實現與處理器相連接。

2.5 電機控制模塊和操作面板

本系統采用STM32F103C8T6嵌入式控制器為中央處理器自帶，電機控制PWM，控制系統中不需要增加風向和風速電機控制模塊，操作面板使用處理器的GPIO實現。

3? 系統軟件設計

軟件設計包含兩個部分，一是控制系統軟件設計，二是手機APP設計。

3.1 控制系統軟件設計

控制系統軟件主要實現根據人體位置感知模塊輸出的信號，自動控制風扇方向電機去調整風扇的方向對準人體位置;根據溫度感知模塊輸出的溫度值去控制風速電機，自適應的調整送風量，提高人體的舒適度;通過WIFI模塊實現與手機APP的通信;還需實現響應操作面板和手機APP的命令實現預定模式的選擇、工作方式的選擇以及定時等操作。

3.2 手機APP設計

手機APP主要實現與控制系統的通信連接和數據傳輸;顯示溫度和時間信息;風扇工作模式的設定等。

4? 結語

本設計基于物聯網技術較好解決了傳統電風扇的不足，實現了風扇風向的自動人體跟蹤，風速的自適應調節，大大提高了風扇使用的舒適度，還實現了利用手機APP對風扇的操作，提高了風扇使用的便利性，本設計具有較好的實用價值。

參考文獻

[1] 馬巧梅.一個智能風扇控制系統的設計[J].信息技術，2018，42（8）：55-58，65.

[2] https：//baike.baidu.com/item/STM32F103C8T6.

[3] 田嘉晨，周厚滿，林創挺.利用人體自身紅外輻射的智能風扇[J].科技與創新，2018（7）：55-56.

[4] 胡玉軒.基于STC單片機的智能電子溫度控制系統設計研究[J].山西電子術，2017（4）：87-89.