基于物聯網云平臺的多功能智能晾衣架

楊卓凡，李林，白雪

（大連理工大學城市學院 電子與自動化分院，遼寧大連，116600）

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，越來越多的家庭開始使用智能家居設備。目前人們所使用的晾衣架多為傳統類型，不能隨外界環境溫濕度的變化而自動收縮。當家里無人天氣下雨時，衣物會被淋濕，用戶需要對淋濕的衣物重新清理，給用戶帶來困擾。夏日的正午，陽光充足，溫度較高，暴曬對衣物損傷較大，應當避免衣物暴曬。如果衣物晾曬不充分，容易滋生細菌，不利于健康。為了提高用戶的生活質量，節約時間，本文設計了一款能夠自動伸縮的智能晾衣架。智能伸縮晾衣架作為一種實用性強、節約空間和時間成本、減少環境污染的新型產品，在市場上受到了廣泛關注。

在此背景下，本論文旨在探討如何利用物聯網云平臺技術打造高效便捷、安全可靠的智能家居產品，并對該系統進行詳細介紹和性能評估。希望本論文對相關領域研究人員以及廣大用戶有所啟示和參考價值。

1 系統的總體結構設計

本文以STM32F103 芯片作為主控芯片，使用DHT11數字溫度傳感器、BH1750 光照強度傳感器，對溫濕度和光照強度進行采集，將采集到的數據通過ESP8266 WiFi 模塊實時傳輸到阿里云物聯網平臺并自動控制晾衣架的伸縮。用戶不僅可以通過云平臺查看晾曬的環境數據，還可以通過手機APP 或者網頁進行遠程手動控制。

智能伸縮晾衣架的總體系統結構如圖1 所示，系統包括感知層、控制層、網絡層、應用層4 個部分。

圖1 系統方案設計圖

（1)感知層由DHT11 溫濕度傳感器和BH1750 光照強度傳感器2 部分組成。由傳感器對外界的溫濕度和光照強度進行采集，并將數據傳給單片機。

（2)控制層由STM32F103 單片機、OLED 液晶顯示屏、舵機3 部分組成。單片機讀取傳感器的采集數據，對數據進行分析處理，通過OLED 顯示屏進行數據顯示，并控制舵機的轉動，以達到控制晾衣架伸縮的作用。

（3)網絡層由ESP8266 WiFi 通信模塊和物聯網云平臺2 部分組成。在WiFi 模塊正常配網之后，使用MQTT協議格式化數據并將其打包到一個云服務請求中，通過ESP8266 將數據發送至云平臺上。

（4)應用層由手機端APP 和網頁端監控大屏組成。用戶可以用手機或電腦實時查看外界的環境數據，也可通過遠程控制的方式來手動控制晾衣架的伸縮。

2 系統硬件設計

系統的硬件部分主要由STM32F103 單片機、DHT11溫濕度傳感器、BH1750 光照強度傳感器、ESP8266 WiFi模塊、OLED 液晶顯示屏組成，系統硬件設計的總體框圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件設計的總體框圖

■2.1 溫濕度傳感器模塊

本產品采用DHT11 溫濕度傳感器來實時監測外界環境的溫濕度。DHT11 是一種數字式溫濕度傳感器，廣泛應用于測量環境溫度和相對濕度。它具有低成本、易于使用、可靠性高等特點。DHT11 是單總線通信，一次完整的數據傳輸為40bit，分為5 個字節，其中前兩個字節表示濕度，接下來的兩個字節表示溫度，最后一個字節是校驗和。

■2.2 光照強度傳感器模塊

本產品采用BH1750 光照強度傳感器對外界的光照強度進行監測，BH1750 是一種數字光照強度傳感器。BH1750內部由光敏二極管、運算放大器、ADC 采集電路等構成，通過內部的模擬-數字轉換器（ADC)將接收到的光信號轉換為數字信號，并將其輸出，BH1750 的內部構成圖如圖3所示。該傳感器采用了I2C 總線通信協議，具有高分辨率、低功耗、快速響應等優點，非常適合用于需要測量環境光強度的應用場景。

圖3 BH1750 內部構成圖

■2.3 ESP8266 WiFi 模塊

本產品利用ESP8266 WiFi 模塊實現智能晾衣架與云平臺的通信。ESP8266 是一種低成本的WiFi 芯片，使用TCP/IP 通信協議，還可以作為TCP 客戶端或TCP 服務器，或者通過UDP 協議發送或接收數據，在IoT 應用、智能家居、自動化系統和工業控制等領域都有廣泛應用。本設計中ESP8266 WiFi 模塊通過路由器連接互聯網，即連接到阿里云物聯網平臺。利用STM32F103 單片機串口對ESP8266進行初始化配置之后，可以將溫濕度和光照采集數據上傳到阿里云平臺之上，用戶可以在網頁上實時監控晾曬狀態。ESP8266 WiFi模塊的工作示意圖如圖4所示。

圖4 ESP8266 模塊的工作示意圖

■2.4 SG90 舵機

SG90 舵機是一種位置（角度)伺服的驅動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。舵機可以根據控制信號來輸出指定的角度，常見的有0～90°、0～180°、0～360°。SG90 舵機采用PWM 調制，單片機產生一個周期為20ms 的方波信號，以0.5ms～2.5ms 的高電平來控制舵機的旋轉。0.5ms～1.5ms 區間的高電平控制舵機正向旋轉，1.5ms～2.5ms 的高電平控制舵機反向旋轉，通過控制舵機的正反轉來實現晾衣架的伸縮功能。脈沖高電平時間與舵機轉動之間的關系如表1 所示。

3 系統軟件設計

本產品軟件設計主要包括DHT11 溫濕度模塊、BH1750 光照強度傳感器模塊、ESP8266 WiFi 模塊、SG90舵機和OLED 顯示屏的軟件設計。系統上電之后，配置系統時鐘，初始化串口和傳感器，確認ESP8266 WiFi 模塊是否配網成功，成功后進入主循環。進入主循環，接收各個傳感器采集到的晾曬環境數據，并在OLED 顯示屏上進行實時顯示，通過舵機控制晾衣架的自動伸縮。同時將采集到的數據上傳到云平臺設備屬性中，在云平臺的網頁端進行可視化顯示與控制。本系統的軟件設計流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件設計流程圖

4 云平臺終端連接

本產品選用了阿里云物聯網云平臺，采用MQTT 協議與云平臺進行連接。MQTT 協議是一個基于客戶端－服務器的消息發布/訂閱傳輸協議，具有輕量、簡單、開放和易于實現等特點，適用范圍廣。

根據平臺的要求注冊并登錄賬號，創建相應的產品和設備之后，得到了設備的阿里云“三元組”（product Key，device Name，device Secret)。在軟件中將“三元組”進行綁定即可實現數據在云平臺的實時發布。利用阿里云平臺搭建簡易的WEB 端界面，并對每個圖標、按鍵進行相應的數據流鏈接，用戶便可利用網頁上可視化的圖表對外界晾衣環境有更清晰和直觀的了解，也可利用按鍵主動控制晾衣架的伸縮，方便用戶與系統進行交互。網頁端數據監測如圖6 所示。

圖6 網頁端數據監測

5 結論

該論文提出了一種基于物聯網云平臺的多功能智能晾衣架設計方案，介紹了硬件組成和軟件流程圖，并詳細描述了各個模塊的功能。

隨著人工智能技術的不斷發展和應用，未來的智能晾衣架將會更加具備自主學習、自適應和預測等功能。基于物聯網云平臺的智能晾衣架以及最佳溫濕度控制使得節省時間與電力資源的同時也保護生態。具有非常廣泛和深遠的應用前景，并且將會持續創新與改進以滿足消費者需求及提升用戶體驗。