可檢測(cè)溫濕度的智能衣柜設(shè)計(jì)

朱瑞昕，周 由，鐘名焱，蔡宏斌

（遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

0 引 言

在未來，城市將面臨向智能城市的轉(zhuǎn)型，以便更有效地管理城市資源、公共安全等。智能城市概念包括經(jīng)濟(jì)、生活等多個(gè)智能維度。隨著購房壓力的日益增大，合理的空間利用率逐漸成為人們裝修時(shí)考慮的重點(diǎn)?，F(xiàn)如今，組合式柜組的應(yīng)用雖然可以較好地利用上層空間，但存取物品時(shí)需爬高，具有一定危險(xiǎn)性。南方空氣潮濕，衣服在柜中長(zhǎng)時(shí)間放置就會(huì)出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象，這主要是衣柜內(nèi)濕度過大造成的；同時(shí)，溫度過高時(shí)也有可能加強(qiáng)霉菌活性，導(dǎo)致衣物發(fā)霉。各種因素使得衣柜從只有儲(chǔ)存功能發(fā)展為具有多種功能的智能衣柜。

相較于國外的智能衣柜市場(chǎng)，在中國，衣柜作為普適性家具，其功能單一，智能化進(jìn)程基本處于未起步狀態(tài)，因此存在著巨大商業(yè)潛力。面對(duì)生活中需要照顧的老年和兒童群體，配置安全方便的家具以適應(yīng)他們的生活需求，已成為時(shí)下亟待解決的問題。設(shè)計(jì)出良好的適老產(chǎn)品與環(huán)境已經(jīng)變得尤為重要。市場(chǎng)上出現(xiàn)的衣柜主要分為兩種：一種是傳統(tǒng)衣柜；另外一種是實(shí)現(xiàn)了升降功能，但造價(jià)高、需要手動(dòng)搖桿來控制。有些衣柜的用戶還可以通過APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程選擇衣物、控制衣柜等，但這對(duì)于老人來說存在局限性：他們大多不會(huì)使用智能手機(jī)。因此，相關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)化、個(gè)性化、智能化必須進(jìn)一步增強(qiáng)。

針對(duì)當(dāng)前衣柜存取物品的危險(xiǎn)性高和功能單一等實(shí)際問題，本文設(shè)計(jì)一種含有自動(dòng)升降系統(tǒng)的智能衣柜。在架構(gòu)設(shè)計(jì)上采用X型剪式升降機(jī)構(gòu)、滾珠式絲桿機(jī)構(gòu)、重型滑軌機(jī)構(gòu)等簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制柜體升降，操作簡(jiǎn)單、可靠性高、占用空間小。在功能上通過溫濕度模塊對(duì)衣柜內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并反饋給用戶；通過超聲波模塊實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)功能，降低危險(xiǎn)性；設(shè)計(jì)觸控屏幕以及聲音檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)衣柜的多方式操控。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能衣柜以STM32F103C8T6（ZET6）為主要系統(tǒng)編程控制以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。系統(tǒng)主要包括主控模塊、溫濕度傳感器模塊、超聲波模塊、聲音檢測(cè)模塊、LCD液晶屏模塊、OLED模塊。為避免高空存取物品時(shí)需要爬高的風(fēng)險(xiǎn)，擬設(shè)置多種運(yùn)行模式，可通過觸控按鍵、語音檢測(cè)等自動(dòng)控制上方儲(chǔ)物柜的升降。當(dāng)儲(chǔ)物柜借助超聲波模塊檢測(cè)到制動(dòng)距離時(shí)及時(shí)停止。在程序內(nèi)設(shè)置適宜存放衣物的環(huán)境參數(shù)，智能衣柜系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過設(shè)定范圍時(shí)即觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警裝置，及時(shí)提醒使用者衣柜狀況不良，此時(shí)可以人為地進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)裝置通過步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，利用電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制智能衣柜的自動(dòng)開關(guān)門以及升降功能。通過固定在支架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪作用，進(jìn)而控制衣柜內(nèi)部箱體的運(yùn)動(dòng)。箱體自動(dòng)升降設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 箱體自動(dòng)升降設(shè)計(jì)圖

箱體自動(dòng)升降裝置的工作機(jī)制如下：

（1）設(shè)計(jì)皮帶傳動(dòng)裝置，通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，使另一端的絲桿帶動(dòng)連接裝置實(shí)現(xiàn)柜門運(yùn)動(dòng)。

（2）通過固定在支架上的電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與齒條嚙合產(chǎn)生使滑軌前后運(yùn)動(dòng)的力，從而實(shí)現(xiàn)衣柜上層空間進(jìn)出的功能。

（3）通過步進(jìn)電機(jī)連接絞盤，帶動(dòng)吊繩；利用多節(jié)伸縮桿導(dǎo)向，給電后主控驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物柜的升降功能。

箱體的功能觸發(fā)方式為：①通過觸發(fā)下降按鈕實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物盒從箱體內(nèi)部出來再到下降的功能；②通過觸發(fā)上升按鈕實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物盒上升進(jìn)入箱體的功能；③通過觸發(fā)停止按鈕，可使儲(chǔ)物盒在下降或上升過程中的任意位置停止。

3 硬件模塊的工作原理及設(shè)計(jì)

3.1 HC-SR04超聲波模塊

聲波根據(jù)頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。振動(dòng)頻率大于20 kHz以上的聲波被稱為超聲波，超出了人耳聽覺的上限，具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小、方向性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)、國防通信等領(lǐng)域。

本衣柜采取HC-SR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)衣柜的制動(dòng)功能。HC-SR04超聲波模塊測(cè)距的方式為非接觸式，它的測(cè)量范圍為2～400 cm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。擬在儲(chǔ)物盒的下方安裝HC-SR04超聲波模塊，其下拉電阻可以調(diào)節(jié)靈敏度和測(cè)試角度，增大下拉電阻會(huì)獲得更遠(yuǎn)的測(cè)量距離和感應(yīng)角度。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與下方物體的距離，用以檢測(cè)儲(chǔ)物盒下是否有物體出現(xiàn)，從而控制電機(jī)的制動(dòng)等功能。

3.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)高分子電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，通過標(biāo)準(zhǔn)的單總線通信方式與微處理器通信。為了使其測(cè)試更精確，將該模塊固定在衣柜內(nèi)壁。在發(fā)送端，STM32控制傳感器模塊進(jìn)行采集，通過串口將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給芯片，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及實(shí)時(shí)顯示，確保測(cè)溫測(cè)濕功能穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快、抗干擾性能強(qiáng)。令模塊與OLED連接，將所測(cè)數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上，在濕度高于70%、溫度高于27 ℃時(shí)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒人們通風(fēng)干燥、防止霉菌。

DHT11與微處理器的連接：數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度小于20 m時(shí)可用5 kΩ的上拉電阻，長(zhǎng)度大于20 m時(shí)看情況選擇電阻。

3.3 TFT-LCD觸摸屏

TFT是一種薄膜晶體管液晶顯示器，支持五點(diǎn)同時(shí)觸摸。當(dāng)使用者觸摸屏幕時(shí)，與液晶屏接觸點(diǎn)將產(chǎn)生微小電流，造成該部分產(chǎn)生壓降、該波動(dòng)返回到主控，利用這種感應(yīng)電流的方式來達(dá)到觸摸控制的目的，但帶上手套觸摸屏幕時(shí)會(huì)毫無反應(yīng)。利用STM32編寫控件，處理受壓位置，在LCD上顯示以控制電機(jī)運(yùn)行。采用NT35510驅(qū)動(dòng)，LCD采用16位8080并行接口與主控實(shí)現(xiàn)通信，觸摸屏采用IC接口。

3.4 聲音檢測(cè)-聲音傳感器模塊

VCC外接3.3～5 V電壓，該模塊對(duì)環(huán)境聲音強(qiáng)度具有一定敏感性。在周邊聲音強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，OUT端將輸出高電平；當(dāng)超過該值時(shí)，OUT端將輸出低電平。使用STM32檢測(cè)模塊輸出的高低電平，對(duì)衣柜周邊聲音進(jìn)行判斷。可以通過拍手等方式進(jìn)行聲控控制，實(shí)現(xiàn)衣柜箱體進(jìn)出功能。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序使用Keil工具編寫，由初始化程序、超聲波測(cè)距程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、溫濕度檢測(cè)程序、OLED顯示程序、觸摸屏程序、聲音檢測(cè)程序組成。系統(tǒng)軟件程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件程序流程

4.1 超聲波測(cè)距

使用飛行時(shí)間（TOF）的基于超聲波的距離測(cè)量已是不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用中所采用的基本技術(shù)。STM32ZET6單片機(jī)提供一個(gè)大于10 μs的脈沖信號(hào)從I/O口輸出，用以觸發(fā)模塊；收到觸發(fā)信號(hào)后，單片機(jī)發(fā)出8個(gè)40 kHz的周期電平，等待回響。經(jīng)超聲波接收電路處理后的回波信號(hào)比較微弱，而且有干擾信號(hào)存在。經(jīng)兩級(jí)濾波電路處理后回波信號(hào)放大明顯，消除大部分干擾。根據(jù)發(fā)射和接受信號(hào)的時(shí)間差測(cè)距（（高電平時(shí)間×聲速）/2，聲速為340 m/s），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與下方物體的距離，返回給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

4.2 溫濕度檢測(cè)程序

MCU發(fā)送start信號(hào)，拉低總線18 ms以上，然后拉高電平。DHT11檢測(cè)到開始信號(hào)并等待高電平延時(shí)結(jié)束后，發(fā)送一個(gè)80 μs的低電平作為響應(yīng)，此時(shí)認(rèn)為DHT11響應(yīng)正常。拉高總線80 μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)；至最后一位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，拉低總線50 μs，處于空閑狀態(tài)。采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給MCU，若超過給定范圍，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 溫濕度測(cè)量曲線

如圖4所示，在環(huán)境穩(wěn)定的情況下，模擬室內(nèi)溫度，通過人工加溫，對(duì)溫度進(jìn)行100 min以內(nèi)的持續(xù)數(shù)據(jù)檢測(cè)，以此測(cè)試衣柜的報(bào)警響應(yīng)。為避免因環(huán)境因素引起的小范圍溫度上升的誤報(bào)警情況，在程序中設(shè)定：當(dāng)溫度在15 min內(nèi)持續(xù)高于27 ℃時(shí)，才認(rèn)為達(dá)到報(bào)警條件。從圖中可以看出，隨著溫度的不斷上升，達(dá)到設(shè)定值27 ℃后繼續(xù)觀察15 min，仍滿足條件后，STM32F103C8T6（ZET6）發(fā)出一個(gè)高電平的脈沖信號(hào)給蜂鳴器，此時(shí)衣柜開始響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。

圖4 智能衣柜溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

同理，當(dāng)濕度達(dá)到70%，并在此后的15 min內(nèi)仍舊大于70%時(shí)，單片機(jī)發(fā)出高電平，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警。測(cè)試效果如圖5所示。

圖5 智能衣柜濕度測(cè)試數(shù)據(jù)

當(dāng)衣柜發(fā)出報(bào)警時(shí)，提醒人們通風(fēng)干燥，至溫濕度持續(xù)低于設(shè)定值時(shí)發(fā)出低電平信號(hào)，報(bào)警停止。停止?fàn)顟B(tài)與響應(yīng)狀態(tài)過程類似，在此不做贅述。

5.2 超聲波測(cè)距曲線

為了保證智能衣柜的安全性，測(cè)試衣柜能否在有人突然出現(xiàn)在儲(chǔ)物柜下方時(shí)緊急制動(dòng)，進(jìn)行障礙物模擬實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 不同制動(dòng)距離下的曲線

圖6（a）為衣柜下降過程中與下方障礙物的間距變化曲線，設(shè)置衣柜初始高度為65 cm；圖6（b）為障礙物高度變化曲線，初始高度為0 cm（無障礙物）。

在4 s時(shí)人為添加一個(gè)25 cm的障礙物（模擬人類），可以看出柜體下方與障礙物之間的距離急劇減小，間距由超聲波測(cè)量后返回給單片機(jī)，至距離障礙物10 cm處電機(jī)停止運(yùn)行并報(bào)警，衣柜不再下降，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)到障礙時(shí)緊急制動(dòng)的功能，保證了使用者的安全。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種可檢測(cè)溫濕度的智能衣柜，通過相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)絞盤控制衣柜運(yùn)動(dòng)，利用傳感器采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳回主控進(jìn)行分析，進(jìn)而控制衣柜的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)衣柜的多功能化，例如：對(duì)空氣溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示；在柜體內(nèi)部環(huán)境不良時(shí)發(fā)出報(bào)警；智能控制柜體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)距離的判斷及緊急制動(dòng)。