基于ESP32的智能百葉窗設計

周盧田，杏甜，劉陌凡，張旭，傅院霞

（蚌埠學院 數理學院，安徽蚌埠，233000）

百葉窗在日常生活中應用十分廣泛，具有良好的透光性，與布藝窗簾相比，百葉窗可更加均勻的控制室內光照[1]。在歐美等發達國家和地區，智能百葉窗具有較大市場份額，窗體產品啟閉方式也進入了智能化的時代，在國內，智能百葉窗也受到了人們的重視，智能百葉窗屬于高端前沿產品，未來數年內智能百葉窗市場將進一步擴大[2~4]。2020年陳美玲等人設計一款基于WiFi遠程遙控的智能逐光百葉窗[5]，該設計通過ESP8266芯片，實現了百葉窗聯網功能。2021年劉雪雪等人設計的智能百葉窗[6]，其葉片可根據環境變化，以及光線角度進行調節。前者的葉片只有全開和全閉兩種狀態，其對光線的控制不夠均勻，且設計方案中ESP8266僅作為一個單向發送數據的芯片，芯片能力并未有效發揮。劉雪雪等人設計的百葉窗，缺乏遠程控制。本設計將采用ESP32的作為主控，結合前兩款百葉窗設計的優缺點，致力于改善用戶體驗，提出一種新的智能物聯網解決方案。

1 總體方案

系統構成主要有ESP32、28BYJ-48步進電機、42步進電機、HDC1080溫濕度傳感器、光敏傳感器、語音模塊、MPU6050角度傳感器、激光測距模塊、變速箱、點燈Blinker APP等部件構成。ESP32是系統中央控制器，控制與協調各個模塊之間的工作，同時作為一款2.4GHz WiFi芯片，其負責百葉窗與APP之間的遠程連接。28BYJ-48步進電機用于控制百葉窗葉片角度，42步進電機用于驅動窗簾拉起和放下。DC1080溫濕度傳感器負責采集室內溫濕度數據與光敏傳感器配合，葉片可根據環境自行做出調整。激光測距模塊可測量用戶手掌與百葉窗之間的距離，用于手勢控制百葉窗。語音模塊用于采集用戶語音指令，配合激光測距模塊，用戶可實現對百葉窗進行離線非接觸控制。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

2 模塊介紹

■ 2.1 ESP32

本設計采用ESP32作為主控，該芯片采用40nm工藝，雙核32位MCU、2.4GHz雙模WiFi和藍牙芯片、主頻高達230MHz,計算能力可達600DMIPS。具有高射頻，高穩定性，高可靠性、低功耗及通用性等特點，具有包括Active模式、Modem-sleep模式、Light-sleep模式、Deep-sleep模式、Hibernation模式在內的多種調節管理模式。可根據不同需求，調節所需方案。常運用于嵌入式物聯網領域[7]。ESP32負責控制整個百葉窗的運行，ESP32通過MQTT協議與移動APP點燈Blinker進行連接。實現遠程控制百葉窗。ESP32將溫濕度傳感器獲取到的信息上傳到點燈Blinker實現遠程交互。ESP32通過IO口，發出脈沖，控制與之相連的42步進電機和28BYJ-48步進電機達到精確控制電機轉動效果。圖2為系統電路圖。

圖2 系統電路

■ 2.2 HDC1080

本設計采用HDC1080溫濕度傳感器模塊，具有低成本，抗干擾性強，高分辨率等特點。該傳感器最高分辨率為14位測量分辨率。與ESP32進行I2C通信并以通過網絡將溫濕度數據發送至移動APP。測量數據流程如下，通過I2C通信協議在寄存器地址0x02中配置采集參數待其響應，通過將位12置1 設置采集溫度和濕度的模式，設置位10確定測量溫度的分辨率，位8和位9同時確定氣壓分辨率，通過執行指針寫入指令并將地址指針設置0x00來觸發測量發送檢測命令，待設備響應，讀取8位字節獲取溫濕度信息[8]。

■ 2.3 TOF400C

本設計采用TOF400C作為百葉窗的激光測距模塊，內部由意法半導體生產的VL53L1X芯片控制。其優點有功耗低，精度高，反應較快等特點，常用于激光測距模塊。TOF是一種絕對距離檢測技術，即傳感器發出經過調試的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發射和反射時差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產生深度信息。TOF400C取樣頻率較快，達到400kHz，與ESP32之間使用I2C進行通信，通過調用VL53L1X內部的API對激光測距模塊進行數據讀取。此模塊在本設計用于測量用戶手掌與百葉窗之間的距離。

■ 2.4 LD3320

語音模塊LD3320，是一款非特定人聲芯片，無需額外錄音，識別外部語音與寄存器語音相同時即可，識別率可達95%。該模塊識別的語言可進行后續編程，開發者采用I2C通信，向寄存器內部寫入需要識別的語音即可，后續可增添50組非特定人語音條[9]。為了進一步降低環境對該模塊的干擾，提高識別率，本設計在每條指令前設計激活語音指令，系統讀取到激活語音指令后，才可以執行下一步語音指令。激活語音指令的設計，在一定程度上，減少了非指令語音的干擾，降低系統執行錯誤指令的概率。

■ 2.5 MPU6050

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的整合性 6 軸運動處理傳感器。其內部整合了 3 軸陀螺儀和 3 軸加速度傳感器，利用 MPU6050 芯片內部的 DMP 模塊（Digital Motion Processor 數字運動處理器）， 可對傳感器數據進行濾波、融合處理。MPU6050與上位機進行I2C通信，接口向上位機輸出姿態解算后的數據，降低上位機的運算量。本設計將MPU6050加速度計陀螺儀貼合在百葉窗的葉片上，使之可以采集百葉窗葉片的角度信息，并將角度數據通過I2C協議發送至ESP32。

■ 2.6 機械部分

與傳統百葉窗相比，本設計在機械部分稍作改動，轉軸采用六角方鋼，在結構強度方面優于傳統百葉窗。同時設計配套一款變速箱，0.5模30齒的齒輪同蝸桿配合，使得減速箱可以實現自鎖效果。此變速箱預留接口利用28BYJ-48步進電機進行驅動。本設計通過置于葉片上的MPU6050傳感器可獲取葉片俯仰角度，從而與28BYJ-48步進電機形成閉環控制，使本設計可精確調控百葉窗葉片角度，百葉窗利用用42步進電機拉動拉繩，代替用戶手拉操作，達到方便省力的效果。同時，此款步進電機可后置剎車片，斷電后剎車抱死，窗簾任能保持斷電前的位置，在下次上電時剎車松開，電機可正常運轉。圖3為百葉窗外部電機結構。

圖3 百葉窗外部電機結構

3 工作模式

■ 3.1 離線模式

3.1.1 自動模式

處于自動控制模式時，系統根據環境自主做出決策。傳感器采集室內溫濕度數據和光照強度信息。葉片在0～180度進行一次翻轉，同時光敏傳感器記錄室內光照強度。在此范圍內，若光照強度均低于100lux，葉片翻轉到最強光照角度。光照強度在100lux~500lux，葉片角度不變化。光照強度高于500lux，且室內溫度高于30℃，葉片關閉。光照強度低于10lux，系統判定為夜晚，葉片關閉。

3.1.2 半自動模式

此模式由語音模塊和激光測距模塊協作完成。用戶通過口令“百葉窗”待蜂鳴器有回應，語音系統激活，用戶可通過如表1所示口令控制百葉窗。

表1 語音口令

激光測距模塊視場角 為27 °，工 作 距 離 在50mm~4000mm。手勢控制開啟后，用戶手掌正對百葉窗持續三秒進行初始化操作。待蜂鳴器提示音響后，初始化完成。用戶前后移動手掌，葉片隨著用戶手掌前后移動進行翻轉。葉片翻轉角度與手掌和百葉窗之間的距離呈正相關。待葉片調整到適合的角度后，通過語音關閉手勢控制，葉片翻轉操作完成。語音模塊和激光測距模塊相互配合，用戶可實現在不接觸百葉窗的情況下對其進行操作。激光測距模塊的引入，在一定程度上豐富了百葉窗的控制方式，使百葉窗這種傳統家具更具科技感。

■ 3.2 在線模式

點燈Blinker是一套專業，成熟的物聯網解決方案，其封裝了多個平臺的底層代碼，極大的簡化了開發者的開發工作。Blinker平臺其將服務器，設備端SDK，和APP整合到一起，簡化了物聯網開發工作。開發者僅需關注設備需要實現的功能，而不需要去處理繁瑣的底層邏輯開發簡單。用戶可自定義編輯Blinker app操作界面。自定義界面完成后，將app中獲取到的Secret Key、WiFi熱點名稱以及WiFi密碼編譯到ESP32中，ESP32連入用戶的WiFi，用戶便通過移動APP控制百葉窗，遠程控制窗簾收放，精確控制百葉窗葉片的翻轉。

4 程序設計

■ 4.1 開發準備

本設計使用的開發環境為Arduino IDE，開發環境中安裝ESP32庫，即可對ESP32芯片進行開發，開發簡單，代碼簡潔。為了使系統能夠接入點燈Blinker平臺，需在開發環境中安裝Blinker庫。

■ 4.2 程序思路

設備每次上電后，均需完成初始化操作。剎車片松開，窗簾收回，直到最頂部的葉片觸碰到限位開關，停止收回，窗簾位置清零，待蜂鳴器提示后，完成初始化操作。初始化完成后用戶選擇接入模式，系統接入Blinker 平臺 ，WiFi模式定義函數為BLINKER_WIFI，創建組件對象，綁定用戶APP中的滾動條，按鍵和文本框。通過ESP32將溫濕度數據導入心跳包，數據間隔30~60s通過心跳包發送到APP[10]。用戶可實現遠程對百葉窗的控制和數據查詢。選擇自動控制模式后，葉片在0~180°內翻轉，系統采集90組光照強度，并進行冒泡排序，系統尋找出最優角度，電機執行轉動，此后進入循環，葉片每5分鐘進行一次掃描。當語音模塊被激活時，系統進入語音控制模式。若在語音模式下，激光測距模塊被激活，系統通過測量與手之間的距離，進行一維手勢控制。圖4為程序設計思路。

圖4 程序設計思路

5 結束語

本設計采用ESP32作為主控，系統通過Blinker連入互聯網，實現對百葉窗的遠程控制。溫濕度傳感器與光敏傳感器配合使得百葉窗可根據環境自主做出決策。語音控制配合手勢控制，令百葉窗更具科技感。用戶可以在不接觸百葉窗的情況下對其進行離線控制，在一定程度上豐富了百葉窗的控制方式。本設計為相關產品提供了一種新的發展思路，豐富了用戶體驗，具有較大的市場前景。