徐松華

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

智能家居的概念起源于80年代中期的美國(guó)，隨著IT行業(yè)在中國(guó)的飛速發(fā)展，智能家居行業(yè)于90年代中后期開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。隨著改革開(kāi)放的不斷深化，中國(guó)人民生活水平的不斷提高以及房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商對(duì)于智能化家居控制系統(tǒng)的重視，智能家居在中國(guó)初露鋒芒，智能衣柜“首當(dāng)其沖”，智能衣柜也可以說(shuō)是新時(shí)代家具行業(yè)的翹楚，是傳統(tǒng)家具在新時(shí)代的快速轉(zhuǎn)變，智能衣柜也慢慢地在衣柜市場(chǎng)上流行起來(lái)。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國(guó)民生活品質(zhì)逐步提高，人們對(duì)于衣物的需求量也越來(lái)越大。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查顯示，隨著家庭成員的增加，加之每年新買(mǎi)的衣服，傳統(tǒng)衣柜已越來(lái)越不堪重負(fù)。人們下班后，拖著疲憊的身軀，還要花大量時(shí)間去整理衣物。根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，平均每疊30件衣服大概需要10~15 min，人們?yōu)榱颂暨x在工作、運(yùn)動(dòng)或者參加晚宴、度假以及其他各類(lèi)活動(dòng)需要穿著的服裝，要花費(fèi)大量時(shí)間穿梭在各個(gè)衣櫥間?！罢乙码y、選衣難”已經(jīng)成為了一個(gè)非常普遍及現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。另外，平時(shí)人們忙于工作生活，基本不會(huì)經(jīng)常整理洗曬衣物，衣物長(zhǎng)時(shí)間置于普通的衣帽間中，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)出霉味。尤其在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，每年6、7月份都會(huì)出現(xiàn)持續(xù)陰天有雨的梅雨天氣，衣柜更加容易受潮，陽(yáng)光又照射不到。人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)地對(duì)美好衣柜的追求和傳統(tǒng)衣柜之間已經(jīng)出現(xiàn)了矛盾。

基于此現(xiàn)象，本課題研究設(shè)計(jì)的多功能智能衣柜，可以完美解決日常家庭“衣量大、衣難找、易隱藏、易霉變”等問(wèn)題。適應(yīng)人們?nèi)找婕涌斓纳罟?jié)奏，滿(mǎn)足人們對(duì)高質(zhì)量生活水平的追求。

1 衣柜設(shè)計(jì)步驟

本課題智能衣柜的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括前期市場(chǎng)調(diào)研、硬件設(shè)計(jì)、軟件程序編寫(xiě)及整機(jī)調(diào)試。在前期的市場(chǎng)調(diào)研中，通過(guò)網(wǎng)上查閱相關(guān)資料、問(wèn)卷調(diào)查、到大型家居公司考察調(diào)研等方式，了解目前智能衣柜市場(chǎng)的現(xiàn)狀，熟知不同用戶(hù)對(duì)于智能衣柜功能的需求以及傳統(tǒng)衣柜存在的不足。在硬件設(shè)計(jì)階段，首先通過(guò)CAD畫(huà)出衣柜整體構(gòu)架以及各個(gè)零部件的具體位置，然后對(duì)各個(gè)配件進(jìn)行選型，包括規(guī)格尺寸、材料類(lèi)型、材料強(qiáng)度等。在程序編寫(xiě)階段，需要根據(jù)衣柜的各種功能編寫(xiě)相應(yīng)的C語(yǔ)言程序，控制相關(guān)繼電器來(lái)控制各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。最后是設(shè)備整體調(diào)試，這個(gè)階段也是項(xiàng)目進(jìn)行的最后階段，要通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能目標(biāo)。

2 衣柜硬件結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)是項(xiàng)目的基礎(chǔ)，本衣柜采用智能系統(tǒng)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)，完成人們需要的動(dòng)作，幫助人們?nèi)粘＿x擇、整理、存放衣物。裝置采用人性化的設(shè)計(jì)思路，使用人機(jī)交互系統(tǒng)，在幫助人們節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，除濕、殺菌功能使人們穿衣搭配更加安全。衣柜的柜體結(jié)構(gòu)采用亞克力板制作，在立體空間內(nèi)放置各項(xiàng)功能需要的零部件。衣柜的總裝配圖如圖1所示，主要物理結(jié)構(gòu)由以下4部分組成。

圖1 衣柜機(jī)械結(jié)構(gòu)總裝配圖

2.1 可翻轉(zhuǎn)式帽柜

可翻轉(zhuǎn)式帽柜設(shè)置于衣柜頂部，主要作用是存放帽子，工作時(shí)通過(guò)觸摸屏操作。用戶(hù)在人機(jī)交互系統(tǒng)界面上選定相應(yīng)的目標(biāo)后，單片機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)指令控制帽柜下部氣泵工作，氣泵帶動(dòng)機(jī)械連桿將柜體向上翻轉(zhuǎn)，帽柜表面設(shè)置有掛鉤，當(dāng)柜體翻轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)，帽子懸掛于表面掛鉤上，用戶(hù)在此時(shí)可以拿取帽子。

2.2 自動(dòng)取衣結(jié)構(gòu)

自動(dòng)取衣結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)在衣柜中部，承擔(dān)自動(dòng)選取衣物的作用。平時(shí)用戶(hù)只需要將衣物掛在軌道掛鉤上，當(dāng)需要穿著時(shí)，通過(guò)觸摸屏選取對(duì)應(yīng)的衣物，系統(tǒng)通過(guò)指令將衣物呈現(xiàn)在用戶(hù)面前。自動(dòng)取衣結(jié)構(gòu)主要由封閉式環(huán)形導(dǎo)軌、同步帶、電動(dòng)機(jī)、軌道掛鉤等組成。雙導(dǎo)軌同步連動(dòng)式結(jié)構(gòu)均分布在導(dǎo)軌各處，下面有滑道掛鉤，掛著各種衣服。衣柜的智能觸摸屏上有各種衣服的圖片（可以拍照錄入系統(tǒng)），程序?qū)⑺鼈儼葱蛱?hào)排列，并在屏幕下方的菜單欄加裝按鈕功能，每一件衣服都有屬于自己的信號(hào)（根據(jù)排列的順序，在STM32F103ZET6主板上輸入C語(yǔ)言程序），當(dāng)用戶(hù)根據(jù)衣物圖片選擇需要的衣服后，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)根據(jù)算法選擇最近的路程，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中STM32F103 ZET6控制系統(tǒng)就會(huì)計(jì)算運(yùn)行的時(shí)間和路程，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)輸出信號(hào)指令，當(dāng)信號(hào)達(dá)到所需要的值，正好與選擇的衣服信號(hào)匹配時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)掛鉤上的衣物到達(dá)取衣口，把用戶(hù)選中的衣物呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，完成自動(dòng)取衣的過(guò)程。

2.3 智能彈出式柜子

智能彈出式柜子設(shè)計(jì)在衣柜的下端，承擔(dān)放置鞋子和襪子的作用。智能彈出式柜子主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)為三節(jié)式的阻尼滑道與智能電控箱柜鎖。平時(shí)用戶(hù)只需要把鞋襪等放置在智能柜子中，當(dāng)需要穿戴時(shí)，只需要通過(guò)觸摸屏進(jìn)行選取，當(dāng)選取成功后，智能電控柜鎖就會(huì)自動(dòng)彈開(kāi)，帶動(dòng)柜子在阻尼軌道上運(yùn)動(dòng)，使柜子自動(dòng)打開(kāi)，用戶(hù)即可拿取鞋襪。

2.4 殺菌除濕裝置

與傳統(tǒng)衣柜相比，殺菌除濕裝置是本課題衣柜比較新穎的功能。衣柜衣物容易發(fā)霉是傳統(tǒng)衣柜常見(jiàn)的問(wèn)題，本衣柜的殺菌除濕裝置可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。殺菌裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是紫外線(xiàn)殺菌燈。用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏打開(kāi)殺菌功能，也可以通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制殺菌功能。利用紫外線(xiàn)殺菌的原理，通過(guò)紫外線(xiàn)對(duì)各種細(xì)菌及微生物進(jìn)行持續(xù)性照射，破壞其體內(nèi)的器官結(jié)構(gòu)，起到安全穿衣的作用。紫外線(xiàn)燈的存在，將有效抑制細(xì)菌的生存。除濕裝置由濕度傳感器以及加熱器件組成，當(dāng)濕度達(dá)到一定值時(shí)，濕度傳感器會(huì)給出一個(gè)反饋信號(hào)，此時(shí)觸摸屏上會(huì)顯示“濕度過(guò)高，請(qǐng)加熱”，用戶(hù)可以選擇手動(dòng)加熱或定時(shí)加熱，時(shí)間由用戶(hù)自己設(shè)置，當(dāng)按下加熱按鈕時(shí)，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)給出信號(hào)，此時(shí)與STM32F103ZET6控制系統(tǒng)連接的繼電器，控制加熱功能的繼電器開(kāi)關(guān)閉合，系統(tǒng)開(kāi)始加熱（手動(dòng)加熱需要自己關(guān)閉，定時(shí)加熱會(huì)自動(dòng)關(guān)閉）。

3 衣柜控制系統(tǒng)

軟件程序設(shè)計(jì)是衣柜的核心組成部分，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要控制依據(jù)。軟件是連接用戶(hù)與硬件之間的橋梁，起到紐帶作用。用戶(hù)通過(guò)軟件程序和智能衣柜系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交流。系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

圖2 衣柜系統(tǒng)控制圖

衣柜的控制系統(tǒng)由上位機(jī)（APP）和下位機(jī)（衣柜）兩部分組成，兩者通過(guò)MQTT協(xié)議在阿里云平臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)功能[1]。

上位機(jī)APP基于App inventor進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可接收下位機(jī)的信息和向下位機(jī)發(fā)送信息。下位機(jī)由5大模塊組成，分別為單片機(jī)模塊、顯示模塊、溫度測(cè)量模塊、WIFI模塊、繼電器模塊。單片機(jī)模塊即控制模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，由STM32F103ZET6最小系統(tǒng)組成。顯示模塊即人機(jī)交互界面，可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)衣柜的各項(xiàng)功能，由電容觸摸屏組成。溫度測(cè)量模塊由DS18B20及外圍電路組成，測(cè)量衣柜內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度。WIFI模塊即通信模塊，下位機(jī)通過(guò)WIFI模塊發(fā)送和接收信息，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，由ATK-ESP8266及外圍電路組成。繼電器模塊即單片機(jī)控制的不同外圍電路，因這些外圍電路都為大功率器件所以用繼電器控制開(kāi)關(guān)，由電動(dòng)機(jī)、真空壓縮機(jī)、除濕機(jī)、紫外線(xiàn)燈等組成。

3.1 STM32F103ZET6控制系統(tǒng)

STM32F103ZET6控制主板是衣柜的核心之一，放置于衣柜頂部，由C語(yǔ)言執(zhí)行程序代碼。STM32F103ZET6控制系統(tǒng)使用性能較高的ARM Cortex-M3內(nèi)核元器件，有非常豐富的接口和通信模塊以及其他功能模塊[2]。在功耗方面控制較好，能耗低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有著強(qiáng)大的控制功能。其工作主頻默認(rèn)為72 MHz，內(nèi)部有高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)型I/O端口和外設(shè)元器件，不僅支持JTAG調(diào)試的方式，而且支持SWD調(diào)試方式[3]。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)選擇所需功能時(shí)，STM32F103ZET6主板將立刻做出相對(duì)應(yīng)的控制命令，來(lái)達(dá)到用戶(hù)的實(shí)時(shí)要求，實(shí)現(xiàn)功能方便快捷穩(wěn)定。

3.2 遠(yuǎn)程控制模塊控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制模塊基于阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。阿里云是全球領(lǐng)先的云計(jì)算及人工智能科技系統(tǒng)，在互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)高速發(fā)展的今天，其較低的成本，強(qiáng)大的計(jì)算能力，安全可靠的數(shù)據(jù)處理能力，為本課題衣柜提供了一個(gè)強(qiáng)大的科技平臺(tái)。本系統(tǒng)依托阿里云平臺(tái)，將STM32F103ZET6模塊與WIFI模塊相連接，手機(jī)APP界面如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和溫濕度監(jiān)測(cè)功能。在阿里云平臺(tái)的模式下，使用WIFI模塊，用戶(hù)可以在全球任何一個(gè)位置監(jiān)測(cè)衣柜內(nèi)部溫濕度情況，使用戶(hù)可以遠(yuǎn)程控制衣柜。

圖3 手機(jī)APP

4 衣柜系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

設(shè)計(jì)任何一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備最終目的還是其應(yīng)用性和實(shí)用性。因此在衣柜的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部實(shí)現(xiàn)之后，還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行測(cè)試、檢驗(yàn)，以達(dá)到預(yù)期功能和要求。在硬件的搭建過(guò)程中，最基本的還是要看機(jī)械機(jī)構(gòu)是否牢固穩(wěn)定，電子線(xiàn)路是否準(zhǔn)確可靠。在組裝同步皮帶的過(guò)程中，由于尺寸材料結(jié)構(gòu)等方面的原因，調(diào)試了很久才搭建完成。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)程序錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和檢查，發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題。比如要注意單片機(jī)的端口定義是否正確，要選擇正確的單片機(jī)型號(hào)，編寫(xiě)程序的時(shí)候，電腦是否處于英文狀態(tài)下，等等。最關(guān)鍵的一件事就是要仔細(xì)認(rèn)真，上百幾千條語(yǔ)句，稍微有個(gè)錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了很多問(wèn)題，不過(guò)通過(guò)對(duì)軟硬件的檢查和測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能指標(biāo)。系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 衣柜實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文從意義價(jià)值、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面描述了一個(gè)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心，以阿里云系統(tǒng)為平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)多功能衣柜。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便易懂，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了衣柜的自動(dòng)控制過(guò)程，具有很好的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。并且能夠?qū)?qiáng)弱電知識(shí)很好地進(jìn)行結(jié)合。在智能化家居大力普及的今天，希望本設(shè)計(jì)能給智能衣柜的發(fā)展提供一些參考意義。