基于單片機的智能曬衣架系統的設計與實現

甘嘉燚,慕文靜

(廣西民族師范學院,廣西 崇左 532200)

傳統晾曬裝置無法檢測周邊環境數據,不能與智慧生活相結合[1],故需要發展新的智慧晾衣架。可針對天氣變化添加感知模塊,以單片機作為控制芯片,實現晾衣架的自動控制。晴天時,光照強度高于預先設定值,熱光傳感器發生感應,單片機接收到晾衣信號,發出指令,控制晾衣架電機正轉,帶動晾衣架卷簾門升起、晾衣架伸出,達到晾曬衣物的目的。當天氣突變時,晾衣架濕度傳感器讀取到雨量大于默認值時,單片機接收到收衣信號,發出指令,控制晾衣架電機反轉,帶動晾衣架收回、控制卷簾門關閉,實現在復雜天氣下保護衣物的目的[2]。智能晾曬系統操作簡單,運行穩定,成本低廉,可提高衣物晾曬效果,改善人們的生活質量[3]。可在晾曬架上加入顯示模塊和WiFi模塊。顯示模塊使用LCD12864,成本較低,可通過屏幕實時查看天氣、光線及溫濕度數據,顯示當前設備狀態,便于操作[4]。部分WiFi傳輸選擇ESP8266-WiFi模塊,發送命令給終端進行控制[5]。當光線或天氣發生變化,光敏與濕度檢測模塊數據發生變化,發出命令,控制晾衣架伸出或收回[6],通過云服務向用戶發送數據。本研究結合相關文獻,將單片機與各類傳感模塊及WiFi傳輸模塊相結合,設計了智能衣架系統,具有一定的應用價值。

1 智能衣架系統結構

衣架系統采用翻轉式收衣結構,左右兩邊固定不銹鋼柱子,柱子頭部固定在陽臺天花板處,末端加裝步進電機,電機連接不銹鋼柱并向前延伸,后與另一端延伸的柱子相連接,組成衣架基本架構。在對應的位置布置濕度傳感器模塊及光線傳感器以采集天氣數據。在衣架旁可直觀看到步進電機及風速傳感器,DH11溫濕度傳感器根據陽臺位置布置在衣架對應的位置。

2 智能衣架系統設計及技術路線

文獻[2]與文獻[7]的智能衣架設計采用電動伸縮與控制卷簾門關閉,本設計采用電動翻轉式,省略了卷簾門設計,將電動伸縮式控制改為電動翻轉式,簡化了衣架結構,安裝方便。加入ESP-01S無線模塊與DHT11溫濕度模塊及備用電源,無線模塊令智能衣架系統通過手機實現遠程操作,無線模塊發送數據到云服務器,用戶可實時監測陽臺天氣數據,使衣架系統滿足生活需要。溫濕度模塊監測溫度及濕度,令使用者更直觀地掌握天氣狀況。備用電源并聯在電源上,可應對突發停電情況,保持智慧衣架的正常運作。

ESP-01S外觀尺寸與原理如圖1、圖2所示。ESP-01S是基于ESP8266芯片開發的模塊,用戶可使用AT指令令其進行網絡訪問,支持4 Mbps連傳,在WiFi打印機、WiFi串口攝像頭等數據傳輸應用中速度更快,廣泛應用于智能家居中。

圖1 ESP-01S外觀尺寸

圖2 ESP-01S原理

ESP8266模塊有3種工作模式：①STA 模式。本模塊可通過熱點連接網絡,手機或電腦可通過網絡對本模塊進行控制。②AP 模式。ESP8266模塊作為熱點,使手機或計算機直接與模塊通信,實現局域網無線控制。③STA+AP 模式。是兩種模式的共存模式,可通過互聯網控制實現無縫切換,方便操作。

使用串口調試助手方便測試ESP8266模塊是否正常,測試步驟如下：安裝USB轉TTL模塊驅動。給ESP8266上電后,用數據線連接電腦,使用串口助手連接串口,選擇波特率115 200,在文本框輸入AT并發送,若成功則返回OK,反之重復發送或檢查前面步驟。

搭載服務器。模塊作為服務器,AT指令設置模塊進入Server模式,TCP調試助手連接模塊。PC作為服務器,設置PC端為TCP Server模式,模塊作為客戶端向PC申請埠(AT+CIPSTART=“PC端IP”埠)。

ESP-01S各管腳功能如表1 所示。

表1 ESP-01S管腳定義

圖3與圖4展示了DHT11溫濕度感應模塊的封裝正面與側面。DTH11溫濕度為4針單排引腳封裝(表2為DHT11溫濕度模塊引腳示意),測量濕度為±5%RH,測量的溫度精度為±2%,可滿足日常生活的濕度與溫度測量需求。

表2 DTH11溫濕度模塊引腳

圖3 DHT11溫濕度感應模塊正面

圖4 DHT11溫濕度感應模塊側面

圖5 具體技術路線

采用STM32單片機作為CPU主控平臺,控制系統運行,實現天氣監測。根據天氣調整SG90電機,控制曬衣桿的翻轉,利用光敏電阻光強傳感器來檢測天黑天亮,天黑降低曬衣高度,天亮放出;濕度傳感器則檢測是否下雨,使用風力傳感器進行風速監測,判斷風力大小,從而調整曬衣角度或進行收衣;使用鋰電池作為備用電池,以 防斷電時衣架系統無法進行翻轉控制。在硬件方面可外置鞋架框,進行鞋子晾曬。

3 衣架系統運行原理

圖6給出了智能衣架系統的運作流程,衣架系統運作時,由各類傳感器與WiFi模塊給主控STM32模塊發送采集數據,CPU模塊對各傳感器采集的天氣數據進行判斷,確定是否適合曬衣,若判斷天氣惡劣則控制電機反轉,電機翻轉則帶動曬衣桿翻轉收回衣物。若天氣變化,CPU模塊會控制電機轉動角度,使曬衣角度降低,防止天氣突然惡化,降低曬衣高度以保證衣物安全。完成以上動作后,通過ESP-01S模塊訪問網絡,發送天氣數據,向用戶回饋,使其了解晾衣情況。

圖6 系統運作流程

4 結論

利用STM32單片機作為主體芯片,設計了一款智能衣架系統,其由SG90電機、濕度傳感器、風速傳感器、光照傳感器、ESP-01SWiFi模塊組成。STM32芯片作為主控模塊,利用DHT11溫濕度傳感器與濕度傳感器等各類傳感器采集天氣數據,判斷天氣是否適合曬衣,通過電機控制曬衣桿的翻轉角度,從而進行曬衣操作。若天氣不好,主控芯片會控制電機進行翻轉收衣操作或進行角度調整降低曬衣高度。通過WiFi模塊向用戶回饋天氣數據并提供無線操作。此設計為衣架系統配備了鋰電池備用電源,防止在突發停電時無法收衣,衣架重量輕,結構簡單,兼具智慧性,改變了傳統的升降式收衣方式。