喬世民，廖翔，陳維佳，單尊，陳馨怡，王培元

（湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

衣柜是從古代就開始使用家具之一，以前的衣柜只是滿足人們節(jié)省空間分類存放的要求。但隨著科技水平的不斷提升和人們?cè)絹?lái)越高的生活水平，人們?cè)诩揖叩氖褂煤驮O(shè)計(jì)上不斷的改進(jìn)和完善，但一直到今天，衣柜的要求依然沒達(dá)到人們的期望，為了防止衣服在梅雨天氣容易發(fā)霉和潮濕這一現(xiàn)象，人們?cè)谝鹿竦脑O(shè)計(jì)上不斷的進(jìn)行改進(jìn)，但目前最為前沿的設(shè)計(jì)也只能通過(guò)在衣柜中安裝一個(gè)固定的烘干設(shè)備，并不能實(shí)現(xiàn)衣柜的智能化，沒有最大程度滿足人們要求。衣物在烘干過(guò)程中，用戶無(wú)法通過(guò) PC 端、手機(jī) APP 查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，離理想中的智能化還有一段距離。

為解決這一問(wèn)題，本設(shè)計(jì)通過(guò)改進(jìn)衣柜的結(jié)構(gòu)，在原有的基礎(chǔ)上給衣柜加入目前最為方便的WIFI 模塊，使它能夠與PC 端或者用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且在原有只能烘干的基礎(chǔ)上，加入祛濕和防霉功能且無(wú)需人為檢測(cè)和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)衣柜的最大智能化，以此滿足人們要求[1]。

1 智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)主要以實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)，烘干，消毒，遠(yuǎn)程監(jiān)控，語(yǔ)音提醒，人機(jī)互動(dòng)等功能。系統(tǒng)主要有三部分組成：衣柜終端-WIFI-手機(jī)顯示，衣柜控制終端內(nèi)的各種傳感網(wǎng)對(duì)衣柜內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，做出相應(yīng)的除潮祛濕，烘干，消毒一些列的操作，并通過(guò)WIFI 與手機(jī)建立聯(lián)系向手機(jī)反饋運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 衣柜系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

為使衣柜更具智能化，系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，當(dāng)系統(tǒng)為自動(dòng)模式時(shí)，可根據(jù)衣柜中的環(huán)境對(duì)衣物進(jìn)行定時(shí)的檢測(cè)，除潮除濕，烘干以防止衣物發(fā)霉，在每次處理完之后會(huì)將衣柜中的運(yùn)行狀態(tài)反饋到用戶手機(jī)，并且為不打擾到用戶休息，在夜間時(shí)間，系統(tǒng)不會(huì)自啟動(dòng)，除非人為啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)為手動(dòng)模式時(shí)，用戶可根據(jù)自己的要求，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，烘烤溫度以及除濕程度，并設(shè)有語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)以更直觀方式提醒用戶。

1.3 衣柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衣柜內(nèi)區(qū)域分為動(dòng)作存放區(qū)和無(wú)動(dòng)作存放區(qū)，根據(jù)用戶的要求無(wú)動(dòng)作存放區(qū)也可根據(jù)衣物材質(zhì)進(jìn)行分區(qū)存放，各個(gè)區(qū)域之間相互獨(dú)立，無(wú)動(dòng)作區(qū)域不會(huì)進(jìn)行任何功能。衣柜底部為智能衣柜終端控制系統(tǒng)。動(dòng)作區(qū)中濕衣物區(qū)和干衣物區(qū)都有各自的溫濕度傳感器，且該傳感器對(duì)衣柜中的溫濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管控，一旦溫度或者濕度超過(guò)了設(shè)定指標(biāo)，傳感器就將數(shù)據(jù)反饋給處理器，處理器將根據(jù)來(lái)自不同的傳感器做出不同的操作，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域之間互不干擾。使各區(qū)域間保持最佳存放環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能衣柜控制終端主要由電源模塊和核心控制板組成。電源模塊包括三種降壓電路。核心控制板以 STM32 為核心處理器，控制外設(shè)各個(gè)功能模塊(烘干祛濕模塊、殺菌消毒模塊等)進(jìn)行工作。具體硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 中央處理器模塊

圖2 STM32 最小系統(tǒng)原理圖

數(shù)據(jù)處理模塊是基于ARM 微處理器32 位的Cortex—M3CPU 內(nèi)核的STM32F103RCT6 作為核心處理器。有從64K 或128K 字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，10K～16K 字節(jié)的SRAM。2.0 ～3.6V 的電源供電，上電/斷電復(fù)位、可編程電壓檢測(cè)器，內(nèi)部有8MHz 的RC 振蕩器,并且置有校準(zhǔn)的40KHZ 的RC 振蕩器以及產(chǎn)生CPU 時(shí)鐘的鎖相環(huán)路（PLL）,帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC 振蕩器,睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式,VBAT 為RTC 和后備寄存器供電。內(nèi)部有3 個(gè)16 位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器均有4 個(gè)可作為數(shù)據(jù)捕獲、比較以及脈沖計(jì)數(shù)的通道，并且IO 端口多達(dá)80 多個(gè)，可以完成各類的數(shù)據(jù)交換[2][3]。

2.2 烘干祛濕防霉模塊

在檢測(cè)衣物的潮濕度時(shí)，采用PTC 模塊，PTC 加熱體為加熱元件，無(wú)明火，加熱效率高達(dá)95%，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有故障保護(hù)裝置，對(duì)于各種意外情況及故障可做出準(zhǔn)確判斷，并自動(dòng)采取保護(hù)措施，且體積小巧，最適宜在衣柜這樣的小空間進(jìn)行安裝。在其他方面還可還可利用外控負(fù)載接口外接通風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)雙向溫度調(diào)節(jié)，有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的烘干除濕。

2.3 殺菌模塊

常用的殺菌有紫外線殺菌，臭氧殺菌和等離子殺菌。三種殺菌方式有所不相同，前兩種采用生物殺菌的原理，通過(guò)改變細(xì)菌和病毒的DNA 或RNA 的排列方式使之死亡，這樣就達(dá)到了殺菌的目的，但前兩種對(duì)人體的威脅較大，容易對(duì)人體造成傷害，因此不適用與本系統(tǒng)。等離子殺菌的原理是將低電壓實(shí)現(xiàn)正負(fù)高壓的轉(zhuǎn)換，電離空氣中的正、負(fù)離子，利用正負(fù)離子在空氣中發(fā)生中和的同時(shí)會(huì)釋放不利于細(xì)菌生存的能量波，使其死亡，從而實(shí)現(xiàn)殺菌的目的，此殺菌方式不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，所以最終選用等離子殺菌方式[4]。

2.4 溫濕度傳感器模塊

此系統(tǒng)中主要用STM32 開發(fā)板作為溫濕度傳感器的核心處理單元，溫濕度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)反饋給處理器，處理器根據(jù)事先寫好的溫濕度臨界值動(dòng)作程序?qū)Σ煌瑫r(shí)刻的溫度進(jìn)行處理和分析，并對(duì)加熱裝置和除濕裝置進(jìn)行控制，使其對(duì)衣柜中進(jìn)行加熱和除濕，這個(gè)時(shí)候溫濕度傳感器仍在工作，當(dāng)濕度和衣柜溫度重新回到設(shè)定值以下時(shí)，溫濕度傳感器再次將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)反饋給處理器，處理器做出判斷停止加熱和除濕裝置的動(dòng)作，等待下次命令。在這一循環(huán)中，中央處理器會(huì)將運(yùn)行狀態(tài)和處理數(shù)據(jù)反饋給用戶，用戶也可根據(jù)自己的要求在手機(jī)上APP 上對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，人為的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟停和運(yùn)行時(shí)間，使系統(tǒng)更加智能化。

2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊用和STM2 開發(fā)板配套的2.8 寸液晶顯示屏與用戶實(shí)現(xiàn)面對(duì)面的人機(jī)交互，并且還并以一種以ARM為核心的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別模塊，模塊的核心處理單元也使用STM32 作為CPU，此模塊以對(duì)話管理單元為中心，通過(guò)以LD3302 芯片為核心的硬件單元實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能，采用嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度和外圍設(shè)備管理。

2.6 Wi-Fi 模塊

802.11 協(xié)議是IEEE802-r 作組定義的第一個(gè)被國(guó)際認(rèn)可的無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議，具有可移動(dòng)性WIFI 協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)，采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且與終端易建立聯(lián)系。用戶可根據(jù)自己的要求在不同的環(huán)境中建立局域網(wǎng)來(lái)搭建自己網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)方便，本文選擇一個(gè)開發(fā)文檔豐富的WIFI模塊，模塊型號(hào)為WIFI-M03，WIFI-M03 模塊的設(shè)計(jì)采用UART 接口，即符合了國(guó)際無(wú)限局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，也滿足了與STM32 處理器建立聯(lián)系的要求，直接使用簡(jiǎn)單的插針接口就可與主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

2.7 電源模塊

本系統(tǒng)采用集成穩(wěn)壓的電路原理實(shí)現(xiàn)電源模塊工作，所謂集成穩(wěn)壓器，就是用半導(dǎo)體工藝和薄膜工藝將穩(wěn)壓電路中的二極管、三極管，電阻等元件制作在同一半導(dǎo)體或絕緣基片上，形成具有穩(wěn)壓功能的固定電路。本文用到的穩(wěn)壓芯片為7812 和7805 以及ASM1117，它們的使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，將家用220V 電壓轉(zhuǎn)成12V、5V 以及3.3V，剛好是32 系列單片機(jī)的運(yùn)行所需電壓。

圖3 AC220V—DC12V 降壓電路

圖4 DC12V—DC5V 降壓電路

圖5 DC5V—DC3.3V 降壓電路

2.8 安全防護(hù)模塊

實(shí)現(xiàn)智能化的前提也要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其中采用的保護(hù)有短路保護(hù)和溫控保護(hù)，為防止電路出現(xiàn)短路引發(fā)安全事故，在線路的干路中串接了一枚230V/10A 保險(xiǎn)絲，一點(diǎn)出現(xiàn)短路，保險(xiǎn)絲便會(huì)立刻熔斷跳閘進(jìn)行保護(hù)。PTC模塊由于器自身的物理特性，當(dāng)溫度超過(guò)了預(yù)定值之后，溫控保護(hù)裝置會(huì)立即切斷電源。其中衣柜中還設(shè)有煙霧報(bào)警裝置，保證能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程設(shè)計(jì)

圖6 Wi—Fi 數(shù)據(jù)處理流程

當(dāng)衣柜系統(tǒng)正式工作時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前衣柜內(nèi)濕度時(shí)，若檢測(cè)出濕度比設(shè)定初值要高，則應(yīng)啟動(dòng)去潮去濕程序；若檢測(cè)到衣柜內(nèi)有衣物時(shí)，則應(yīng)開啟防霉烘干的程序。在這兩個(gè)程序運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)通過(guò) Wi-Fi 模塊連接網(wǎng)絡(luò)正常，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而控制系統(tǒng)內(nèi)部程序的運(yùn)行，改變相對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)。Wi-Fi模塊接收串口數(shù)據(jù)，來(lái)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的控制程序。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要控制算法有祛潮祛濕、防霉烘干等功能。祛潮祛濕算法：已知在室內(nèi)濕度長(zhǎng)期大于60%的情況下衣物容易發(fā)霉，首先將相關(guān)模塊初始化，檢測(cè)柜內(nèi)濕度，若濕度大于60%，則開啟祛潮祛濕模塊，直到檢測(cè)柜內(nèi)濕度小于60%，才結(jié)束運(yùn)行；防霉烘干算法：將結(jié)束時(shí)閥門的濕度設(shè)定一個(gè)初值，檢測(cè)柜內(nèi)的濕度，將其濕衣物放進(jìn)柜內(nèi)，開啟烘干、殺菌消毒模塊，再檢測(cè)柜內(nèi)相應(yīng)的濕度，與給定初值作出對(duì)比，從而達(dá)到快速烘干的效果。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

在進(jìn)行衣柜的去潮去濕測(cè)試中，設(shè)計(jì)了三組測(cè)試實(shí)驗(yàn)。主要區(qū)分條件：不同環(huán)境濕度下會(huì)對(duì)祛潮的時(shí)間和衣服的件數(shù)對(duì)祛潮的時(shí)間產(chǎn)生什么影響。第1 組和第2 組主要區(qū)分為不同環(huán)境濕度對(duì)衣柜的祛潮時(shí)間的影響；第1 組和第3 組主要區(qū)分衣柜中衣服的件數(shù)對(duì)衣柜的祛潮時(shí)間的影響。第1組環(huán)境為：濕度48%，衣服件數(shù)4 件；第2 組環(huán)境為：濕度63%，衣服件數(shù)4 件。第3 組環(huán)境為：濕度48%，衣服件數(shù)2 件。對(duì)比第1 組和第2 組測(cè)試數(shù)據(jù)可知，室內(nèi)濕度越大，去潮去濕耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)比第1 組和第3 組實(shí)驗(yàn)可知，衣柜中衣服的件數(shù)越多，耗費(fèi)的時(shí)間則越長(zhǎng)。

4 總結(jié)

本文建立了一種WIFI 技術(shù)的智能衣柜系統(tǒng)，系統(tǒng)有祛潮祛濕；防霉烘干等功能。各個(gè)模塊相互工作,不相影響。每個(gè)模塊都能正常運(yùn)行。另外系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性仍需提高。在研究智能衣柜系統(tǒng)過(guò)程盡管我們有很多的錯(cuò)誤，但也從中學(xué)習(xí)到了很多。