楊卓凡，李林，白雪

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院 電子與自動(dòng)化分院，遼寧大連，116600）

隨著科技的發(fā)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(shè)備。目前人們所使用的晾衣架多為傳統(tǒng)類型，不能隨外界環(huán)境溫濕度的變化而自動(dòng)收縮。當(dāng)家里無(wú)人天氣下雨時(shí)，衣物會(huì)被淋濕，用戶需要對(duì)淋濕的衣物重新清理，給用戶帶來困擾。夏日的正午，陽(yáng)光充足，溫度較高，暴曬對(duì)衣物損傷較大，應(yīng)當(dāng)避免衣物暴曬。如果衣物晾曬不充分，容易滋生細(xì)菌，不利于健康。為了提高用戶的生活質(zhì)量，節(jié)約時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一款能夠自動(dòng)伸縮的智能晾衣架。智能伸縮晾衣架作為一種實(shí)用性強(qiáng)、節(jié)約空間和時(shí)間成本、減少環(huán)境污染的新型產(chǎn)品，在市場(chǎng)上受到了廣泛關(guān)注。

在此背景下，本論文旨在探討如何利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)打造高效便捷、安全可靠的智能家居產(chǎn)品，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹和性能評(píng)估。希望本論文對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究人員以及廣大用戶有所啟示和參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以STM32F103 芯片作為主控芯片，使用DHT11數(shù)字溫度傳感器、BH1750 光照強(qiáng)度傳感器，對(duì)溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過ESP8266 WiFi 模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)并自動(dòng)控制晾衣架的伸縮。用戶不僅可以通過云平臺(tái)查看晾曬的環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以通過手機(jī)APP 或者網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

智能伸縮晾衣架的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)包括感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4 個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

（1)感知層由DHT11 溫濕度傳感器和BH1750 光照強(qiáng)度傳感器2 部分組成。由傳感器對(duì)外界的溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。

（2)控制層由STM32F103 單片機(jī)、OLED 液晶顯示屏、舵機(jī)3 部分組成。單片機(jī)讀取傳感器的采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過OLED 顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制晾衣架伸縮的作用。

（3)網(wǎng)絡(luò)層由ESP8266 WiFi 通信模塊和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)2 部分組成。在WiFi 模塊正常配網(wǎng)之后，使用MQTT協(xié)議格式化數(shù)據(jù)并將其打包到一個(gè)云服務(wù)請(qǐng)求中，通過ESP8266 將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)上。

（4)應(yīng)用層由手機(jī)端APP 和網(wǎng)頁(yè)端監(jiān)控大屏組成。用戶可以用手機(jī)或電腦實(shí)時(shí)查看外界的環(huán)境數(shù)據(jù)，也可通過遠(yuǎn)程控制的方式來手動(dòng)控制晾衣架的伸縮。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由STM32F103 單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、BH1750 光照強(qiáng)度傳感器、ESP8266 WiFi模塊、OLED 液晶顯示屏組成，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框圖

■2.1 溫濕度傳感器模塊

本產(chǎn)品采用DHT11 溫濕度傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的溫濕度。DHT11 是一種數(shù)字式溫濕度傳感器，廣泛應(yīng)用于測(cè)量環(huán)境溫度和相對(duì)濕度。它具有低成本、易于使用、可靠性高等特點(diǎn)。DHT11 是單總線通信，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，分為5 個(gè)字節(jié)，其中前兩個(gè)字節(jié)表示濕度，接下來的兩個(gè)字節(jié)表示溫度，最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)和。

■2.2 光照強(qiáng)度傳感器模塊

本產(chǎn)品采用BH1750 光照強(qiáng)度傳感器對(duì)外界的光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，BH1750 是一種數(shù)字光照強(qiáng)度傳感器。BH1750內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC 采集電路等構(gòu)成，通過內(nèi)部的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將其輸出，BH1750 的內(nèi)部構(gòu)成圖如圖3所示。該傳感器采用了I2C 總線通信協(xié)議，具有高分辨率、低功耗、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于需要測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3 BH1750 內(nèi)部構(gòu)成圖

■2.3 ESP8266 WiFi 模塊

本產(chǎn)品利用ESP8266 WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)智能晾衣架與云平臺(tái)的通信。ESP8266 是一種低成本的WiFi 芯片，使用TCP/IP 通信協(xié)議，還可以作為TCP 客戶端或TCP 服務(wù)器，或者通過UDP 協(xié)議發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，在IoT 應(yīng)用、智能家居、自動(dòng)化系統(tǒng)和工業(yè)控制等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中ESP8266 WiFi 模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，即連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。利用STM32F103 單片機(jī)串口對(duì)ESP8266進(jìn)行初始化配置之后，可以將溫濕度和光照采集數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺(tái)之上，用戶可以在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)時(shí)監(jiān)控晾曬狀態(tài)。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(jī)

SG90 舵機(jī)是一種位置（角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)可以根據(jù)控制信號(hào)來輸出指定的角度，常見的有0～90°、0～180°、0～360°。SG90 舵機(jī)采用PWM 調(diào)制，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)周期為20ms 的方波信號(hào)，以0.5ms～2.5ms 的高電平來控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)。0.5ms～1.5ms 區(qū)間的高電平控制舵機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，1.5ms～2.5ms 的高電平控制舵機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，通過控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)晾衣架的伸縮功能。脈沖高電平時(shí)間與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之間的關(guān)系如表1 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)主要包括DHT11 溫濕度模塊、BH1750 光照強(qiáng)度傳感器模塊、ESP8266 WiFi 模塊、SG90舵機(jī)和OLED 顯示屏的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電之后，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化串口和傳感器，確認(rèn)ESP8266 WiFi 模塊是否配網(wǎng)成功，成功后進(jìn)入主循環(huán)。進(jìn)入主循環(huán)，接收各個(gè)傳感器采集到的晾曬環(huán)境數(shù)據(jù)，并在OLED 顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，通過舵機(jī)控制晾衣架的自動(dòng)伸縮。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)設(shè)備屬性中，在云平臺(tái)的網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行可視化顯示與控制。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 云平臺(tái)終端連接

本產(chǎn)品選用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，采用MQTT 協(xié)議與云平臺(tái)進(jìn)行連接。MQTT 協(xié)議是一個(gè)基于客戶端－服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，適用范圍廣。

根據(jù)平臺(tái)的要求注冊(cè)并登錄賬號(hào)，創(chuàng)建相應(yīng)的產(chǎn)品和設(shè)備之后，得到了設(shè)備的阿里云“三元組”（product Key，device Name，device Secret)。在軟件中將“三元組”進(jìn)行綁定即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在云平臺(tái)的實(shí)時(shí)發(fā)布。利用阿里云平臺(tái)搭建簡(jiǎn)易的WEB 端界面，并對(duì)每個(gè)圖標(biāo)、按鍵進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)流鏈接，用戶便可利用網(wǎng)頁(yè)上可視化的圖表對(duì)外界晾衣環(huán)境有更清晰和直觀的了解，也可利用按鍵主動(dòng)控制晾衣架的伸縮，方便用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互。網(wǎng)頁(yè)端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)頁(yè)端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

該論文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的多功能智能晾衣架設(shè)計(jì)方案，介紹了硬件組成和軟件流程圖，并詳細(xì)描述了各個(gè)模塊的功能。

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，未來的智能晾衣架將會(huì)更加具備自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和預(yù)測(cè)等功能?；谖锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能晾衣架以及最佳溫濕度控制使得節(jié)省時(shí)間與電力資源的同時(shí)也保護(hù)生態(tài)。具有非常廣泛和深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，并且將會(huì)持續(xù)創(chuàng)新與改進(jìn)以滿足消費(fèi)者需求及提升用戶體驗(yàn)。