基于物聯(lián)網(wǎng)的智能晾衣架設(shè)計

楊顯斌 YANG Xian-bin

（廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院），廣州 510091）

0 引言

目前市場上的智能晾衣架多為集成吊頂?shù)纳凳诫妱恿酪录埽Y(jié)構(gòu)過大、且價格昂貴。本設(shè)計的智能晾衣架基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，便于接入智能家居系統(tǒng)，智能、可靠、價格低、可以遠程控制；設(shè)有自動模式和手動模式，在自動模式下可以根據(jù)實時天氣情況自動晾、收衣物，在手動模式下可以通過按鍵手動晾、收衣物；手機遠程監(jiān)控功能可以方便外出人們，再也不用擔(dān)心下雨天家里衣物還沒收的情況。

1 總體方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能晾衣架系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 智能晾衣架結(jié)構(gòu)示意圖

雨滴傳感器、光強傳感器、溫濕度傳感器感知室外實時天氣情況，并將數(shù)據(jù)輸入STM32 處理后驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)，控制晾衣架伸縮，實現(xiàn)根據(jù)天氣情況自動晾曬和收取衣物的功能。按鍵模塊接入STM32，可以實現(xiàn)自動模式和手動模式切換，以及手動晾、收衣物等功能。語音識別模塊可以識別語音信息，控制直流轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)語音控制晾、收衣物功能，語音播報模塊可根據(jù)需要播報實時天氣提醒信息等。wifi 模塊與STM32 通過串口連接，同時通過internet 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺；手機APP 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可遠程監(jiān)測（顯示）雨量、光照、溫濕度等天氣信息，用戶利用手機APP 可遠程控制衣物的晾曬和收取。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由單片機控制、天氣感知、通信模塊和機械控制等部分組成。

2.1 單片機控制

STM32 單片機處理接收到的環(huán)境天氣感知信息，并輸出到電機控制衣物的自動晾、收，按鍵和語音識別模塊用于人工晾、收衣物。

①STM32 主控芯片。

本設(shè)計主控芯片采用STM32F103ZET6。該芯片基于Cortex-M3 內(nèi)核，最高72MHz 工作頻率、512KB FLASH、8個定時器、3 個ADC（多達21 個外部測量通道）、13 個通信接口和112 個通用I/O 口，具有運算速度快、功能強大、功耗低和性價比高等特點，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

②按鍵模塊。

按鍵模塊由模式切換、晾衣架伸出和晾衣架收縮3 個按鍵控制電路及相應(yīng)LED 指示燈組成，通過I/O 口分別接入STM32 單片機。通過模式切換按鍵可切換手動模式和自動模式，在手動模式下通過晾衣架伸出或收縮按鍵可手動控制衣物的晾曬和收取。

③語音模塊。

本設(shè)計的語音識別采用LD3320 模塊。LD3320 芯片是一款語音識別專用芯片，通過MIC（麥克風(fēng)）和相關(guān)電路采集語音信息[1]，通過與LD3320 關(guān)鍵詞語列表進行匹配比對，將相識度最高的識別碼直接通過串口輸出到STM32主控芯片進行處理，可控制晾衣架伸縮。

語音播報采用MY1690MP3 模塊，支持MP3、WAV 格式雙解碼，能直接驅(qū)動3W 的揚聲器。可根據(jù)需要播報實時天氣、晾、收衣物等提醒信息。

2.2 天氣感知

利用多種傳感器感知實時環(huán)境天氣情況：是否下雨、是否天黑、溫度是否過低、是否潮氣大等，并將采集的數(shù)據(jù)通過I/O 口輸入STM32 主控芯片。

①雨滴傳感器。

雨滴傳感器模塊采用高品質(zhì)FR-04 雙面材料傳感器，傳感器面積為4.0×5.0cm2，表面有鍍鎳的抗氧化膜，可輸出數(shù)字和模擬信號。模擬信號接入STM32 主控芯片的ADC 采樣通道，可取多次轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值，獲得實時雨量的檢測數(shù)據(jù)。

②光強傳感器。

光強模塊采用BH1750FVI 光強傳感器，具有廣泛的輸入光范圍（1-65535lx），內(nèi)置16bitADC，直接將數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)部的寄存器中，通過I2C 與STM32 主控芯片連接[2]。利用公式：光照強度=（寄存器值[15:0]*分辨率）/1.2（單位：勒克斯lx），能實時獲取環(huán)境的光照強度。

③溫、濕度傳感器。

采用DHT11 溫濕度傳感器模塊。DHT11 是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。模塊通過單總線的方式傳輸數(shù)據(jù)到STM32 主控芯片，可實時感知環(huán)境溫濕度。

2.3 通信模塊

ESP8266wifi 模塊利用USART 串口和STM32 主控芯片進行通信，ESP8266 是一款性價比高、功耗低的微控制器[3]，通過配置AT 指令連接到OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺。ESP8266、OneNETT 和手機APP 之間采用MATT 協(xié)議進行通信。ESP8266 通過wifi 路由器連接OneNET，手機APP接入OneNET 可以顯示晾衣架環(huán)境天氣信息及遠程控制晾衣架的伸縮。

2.4 機械控制

機械控制由電源模塊、電機驅(qū)動和晾衣架推桿等組成，如圖2 所示。

圖2 機械控制示意圖

①電源模塊。

選用12V/3A 開關(guān)電源，將交流（AC）220V 轉(zhuǎn)為直流（DC）12V，DC12V 分別接L298N電機驅(qū)動模塊和LM2596S直流降壓模塊，而LM2596S 直流降壓模塊則輸出3.3V 給單片機系統(tǒng)提供電源。

②電機驅(qū)動。

選用L298N 電機驅(qū)動模塊，采用ST 公司的L298N 芯片可以直接驅(qū)動兩路3-30V 直流電機，無須隔離電路，通過單片機的I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以驅(qū)動電機進行正反轉(zhuǎn)、停止的操作。

③晾衣架推桿。

12V 直流電機驅(qū)動晾衣架推桿，晾衣架采用可伸縮折疊式結(jié)構(gòu)[4]，在內(nèi)部的移動范圍處裝有限位開關(guān)，當(dāng)機架移動觸碰到限位開關(guān)后，電動推桿能迅速檢測到限位開關(guān)的電平變化，立即停止電機動作，防止運動超程。

3 軟件設(shè)計

3.1 基于FreeRTOS 軟件設(shè)計

采用基于FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)的多任務(wù)編程方式，整個系統(tǒng)由7 個應(yīng)用任務(wù)組成：MQTT 任務(wù)、WIFI 任務(wù)、按鍵任務(wù)、語音識別任務(wù)、雨量采集任務(wù)、光強采集任務(wù)和溫濕度采集任務(wù)。智能晾衣架系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺配置

采用OneNET 中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。OneNET 云平臺支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，可實現(xiàn)各種傳感器和智能硬件的快速接入，提供豐富的API 和應(yīng)用模板以支撐各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署成本。

選擇MQTT 作為物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。MQTT 協(xié)議提供發(fā)布和訂閱兩種消息模式，屬于OSI 參考模型的傳輸層協(xié)議。MQTT 報文格式精簡，可以高效地傳輸數(shù)據(jù)；三種級別的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）支持不同消息的傳輸要求，在保證可靠性的前提下減小開銷；帶Topic 的訂閱模式，可以實現(xiàn)消息的一對多發(fā)布。MQTT 的設(shè)計規(guī)范使得它更適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、網(wǎng)絡(luò)帶小、延時高、不穩(wěn)定等局限的需求，目前廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[5]。

配置流程：首先在OneNET 官網(wǎng)注冊并登錄，找到全部產(chǎn)品的多協(xié)議接入，創(chuàng)建MQTT 傳輸協(xié)議，在設(shè)備列表中添加新的產(chǎn)品（智能晾衣架），在該產(chǎn)品下添加新的設(shè)備，包括采集雨量、光強和溫濕度數(shù)據(jù)的設(shè)備及手機APP設(shè)備（平臺會自動生成設(shè)備號及設(shè)備API—key），在對應(yīng)設(shè)備下創(chuàng)建數(shù)據(jù)流，添加API—key，然后創(chuàng)建應(yīng)用。

3.3 手機APP 開發(fā)

我們使用WxBit 圖形化編程軟件來制作安卓手機APP，當(dāng)手機端和OneNET 云服務(wù)握手后，顯示界面如圖4所示。

圖4 手機APP 軟件界面

其中溫度、濕度、光照、雨量顯示框分別顯示的是當(dāng)前晾衣架周邊環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、雨量大小等信息，晾衣服和收衣服都各有一個控制開關(guān)，用戶可以根據(jù)手機APP 顯示的晾衣架周邊的環(huán)境天氣信息，遠程進行晾曬、收取衣物。

4 結(jié)語

我們采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種可遠程控制的智能電動晾衣架。根據(jù)環(huán)境天氣的雨滴、光照強度、溫濕度等感知信息，可自動、手動或語音控制晾衣架的伸縮；手機APP 通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺可實現(xiàn)遠程晾曬、收取衣物；采用電動折疊伸縮式晾衣架設(shè)計適合陽臺或窗臺晾曬衣物。本設(shè)計功能強、性價比高，產(chǎn)品化時，在成本、價格許可的情況下，可增加風(fēng)速傳感器模塊，用于感知大風(fēng)時自動收取衣物。