楊顯斌 YANG Xian-bin

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

0 引言

目前市場(chǎng)上的智能晾衣架多為集成吊頂?shù)纳凳诫妱?dòng)晾衣架，結(jié)構(gòu)過(guò)大、且價(jià)格昂貴。本設(shè)計(jì)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(jià)格低、可以遠(yuǎn)程控制；設(shè)有自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下可以根據(jù)實(shí)時(shí)天氣情況自動(dòng)晾、收衣物，在手動(dòng)模式下可以通過(guò)按鍵手動(dòng)晾、收衣物；手機(jī)遠(yuǎn)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(méi)收的情況。

1 總體方案設(shè)計(jì)

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(qiáng)傳感器、溫濕度傳感器感知室外實(shí)時(shí)天氣情況，并將數(shù)據(jù)輸入STM32 處理后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制晾衣架伸縮，實(shí)現(xiàn)根據(jù)天氣情況自動(dòng)晾曬和收取衣物的功能。按鍵模塊接入STM32，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式和手動(dòng)模式切換，以及手動(dòng)晾、收衣物等功能。語(yǔ)音識(shí)別模塊可以識(shí)別語(yǔ)音信息，控制直流轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制晾、收衣物功能，語(yǔ)音播報(bào)模塊可根據(jù)需要播報(bào)實(shí)時(shí)天氣提醒信息等。wifi 模塊與STM32 通過(guò)串口連接，同時(shí)通過(guò)internet 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)；手機(jī)APP 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（顯示）雨量、光照、溫濕度等天氣信息，用戶利用手機(jī)APP 可遠(yuǎn)程控制衣物的晾曬和收取。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由單片機(jī)控制、天氣感知、通信模塊和機(jī)械控制等部分組成。

2.1 單片機(jī)控制

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

①STM32 主控芯片。

本設(shè)計(jì)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(gè)定時(shí)器、3 個(gè)ADC（多達(dá)21 個(gè)外部測(cè)量通道）、13 個(gè)通信接口和112 個(gè)通用I/O 口，具有運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)大、功耗低和性價(jià)比高等特點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)按鍵控制電路及相應(yīng)LED 指示燈組成，通過(guò)I/O 口分別接入STM32 單片機(jī)。通過(guò)模式切換按鍵可切換手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下通過(guò)晾衣架伸出或收縮按鍵可手動(dòng)控制衣物的晾曬和收取。

③語(yǔ)音模塊。

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

語(yǔ)音播報(bào)采用MY1690MP3 模塊，支持MP3、WAV 格式雙解碼，能直接驅(qū)動(dòng)3W 的揚(yáng)聲器?？筛鶕?jù)需要播報(bào)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)環(huán)境天氣情況：是否下雨、是否天黑、溫度是否過(guò)低、是否潮氣大等，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)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(hào)。模擬信號(hào)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(shí)時(shí)雨量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

②光強(qiáng)傳感器。

光強(qiáng)模塊采用BH1750FVI 光強(qiáng)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(guò)I2C 與STM32 主控芯片連接[2]。利用公式：光照強(qiáng)度=（寄存器值[15:0]*分辨率）/1.2（單位：勒克斯lx），能實(shí)時(shí)獲取環(huán)境的光照強(qiáng)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(hào)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。模塊通過(guò)單總線的方式傳輸數(shù)據(jù)到STM32 主控芯片，可實(shí)時(shí)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(jìn)行通信，ESP8266 是一款性價(jià)比高、功耗低的微控制器[3]，通過(guò)配置AT 指令連接到OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。ESP8266、OneNETT 和手機(jī)APP 之間采用MATT 協(xié)議進(jìn)行通信。ESP8266 通過(guò)wifi 路由器連接OneNET，手機(jī)APP接入OneNET 可以顯示晾衣架環(huán)境天氣信息及遠(yuǎn)程控制晾衣架的伸縮。

2.4 機(jī)械控制

機(jī)械控制由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和晾衣架推桿等組成，如圖2 所示。

圖2 機(jī)械控制示意圖

①電源模塊。

選用12V/3A 開(kāi)關(guān)電源，將交流（AC）220V 轉(zhuǎn)為直流（DC）12V，DC12V 分別接L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)提供電源。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

選用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，采用ST 公司的L298N 芯片可以直接驅(qū)動(dòng)兩路3-30V 直流電機(jī)，無(wú)須隔離電路，通過(guò)單片機(jī)的I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作。

③晾衣架推桿。

12V 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)范圍處裝有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)架移動(dòng)觸碰到限位開(kāi)關(guān)后，電動(dòng)推桿能迅速檢測(cè)到限位開(kāi)關(guān)的電平變化，立即停止電機(jī)動(dòng)作，防止運(yùn)動(dòng)超程。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于FreeRTOS 軟件設(shè)計(jì)

采用基于FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)編程方式，整個(gè)系統(tǒng)由7 個(gè)應(yīng)用任務(wù)組成：MQTT 任務(wù)、WIFI 任務(wù)、按鍵任務(wù)、語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)、雨量采集任務(wù)、光強(qiáng)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(tái)配置

采用OneNET 中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。OneNET 云平臺(tái)支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，可實(shí)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(kāi)發(fā)，有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)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(bào)文格式精簡(jiǎn)，可以高效地傳輸數(shù)據(jù)；三種級(jí)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(kāi)銷；帶Topic 的訂閱模式，可以實(shí)現(xiàn)消息的一對(duì)多發(fā)布。MQTT 的設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)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(qiáng)和溫濕度數(shù)據(jù)的設(shè)備及手機(jī)APP設(shè)備（平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成設(shè)備號(hào)及設(shè)備API—key），在對(duì)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(jī)APP 開(kāi)發(fā)

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

圖4 手機(jī)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(qiáng)度、雨量大小等信息，晾衣服和收衣服都各有一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，用戶可以根據(jù)手機(jī)APP 顯示的晾衣架周邊的環(huán)境天氣信息，遠(yuǎn)程進(jìn)行晾曬、收取衣物。

4 結(jié)語(yǔ)

我們采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種可遠(yuǎn)程控制的智能電動(dòng)晾衣架。根據(jù)環(huán)境天氣的雨滴、光照強(qiáng)度、溫濕度等感知信息，可自動(dòng)、手動(dòng)或語(yǔ)音控制晾衣架的伸縮；手機(jī)APP 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程晾曬、收取衣物；采用電動(dòng)折疊伸縮式晾衣架設(shè)計(jì)適合陽(yáng)臺(tái)或窗臺(tái)晾曬衣物。本設(shè)計(jì)功能強(qiáng)、性價(jià)比高，產(chǎn)品化時(shí)，在成本、價(jià)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(shí)自動(dòng)收取衣物。