基于艾什頓物聯(lián)云平臺的智能衣柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：202101186024。中飛院新建本科專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：MHJY2023027。中飛院校級科研項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：J2022-042，PHD2023-027。

作者簡介：魏哲（1979— ），男，教授，博士；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

*通信作者：周展鵬（1999— ），男，碩士研究生；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

摘要：文章旨在設(shè)計(jì)一個基于艾什頓物聯(lián)平臺的智能衣柜仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103為系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)了智能溫濕度算法，包含祛濕加熱模塊、降溫模塊、自動照明模塊，并結(jié)合用戶需求，實(shí)現(xiàn)了衣物狀態(tài)監(jiān)測、智能控溫功能。一系列實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能衣柜系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測衣物的狀態(tài)，如濕度、溫度。相比傳統(tǒng)衣柜，該系統(tǒng)能夠提高衣物管理的便利性和效率，提升用戶的滿意度。基于艾什頓物聯(lián)平臺的智能衣柜系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)智能化管理、提高用戶體驗(yàn)方面具有良好的潛力。該系統(tǒng)為智能衣柜領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的參考，同時為用戶提供了便捷、智能的衣物管理解決方案。

關(guān)鍵詞：智能衣柜；艾什頓物聯(lián)平臺；狀態(tài)監(jiān)測；衣物管理

中圖分類號：TN98" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

智能家居作為當(dāng)前備受矚目的研究領(lǐng)域之一，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用和投資。在各種智能家居產(chǎn)品中，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的智能衣柜擁有巨大的市場潛力。艾什頓物聯(lián)網(wǎng)平臺提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、可視化等功能，是一個智能和可擴(kuò)展的云平臺，為設(shè)計(jì)和開發(fā)智能衣柜系統(tǒng)提供了一個有利的環(huán)境。本文設(shè)計(jì)了一個基于艾什頓物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能衣柜系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)智能服裝管理和相關(guān)功能，提高用戶的生活質(zhì)量和便利性，達(dá)到創(chuàng)建智能家居的目的。同傳統(tǒng)的智能衣柜相比，本文所使用的艾什頓物聯(lián)網(wǎng)平臺具有高度的可擴(kuò)展性和智能性，可以輕松地與其他智能家居設(shè)備整合。此外，本文還設(shè)計(jì)了智能控溫算法、智能照明算法、降溫模塊和祛濕加熱模塊，進(jìn)一步提高了智能衣柜［1-5］的價值。

1" 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1.1" 自動溫濕度控制模塊設(shè)計(jì)

1.1.1" 智能溫濕度算法設(shè)計(jì)

《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2022）是中國國家標(biāo)準(zhǔn)，為不同類型的室內(nèi)環(huán)境（包括家庭、辦公室和公共場所）的室內(nèi)空氣質(zhì)量提供指導(dǎo)，如表1所示。

表1" 室內(nèi)溫濕度指標(biāo)

指標(biāo)要求備注

溫度/℃22～28夏季

16～24冬季

相對濕度/％40～80夏季

30～60冬季

室內(nèi)環(huán)境的理想溫度范圍被建議為16～28℃，而理想濕度范圍被建議為30%～80%。

為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，本文所設(shè)計(jì)的衣柜系統(tǒng)集成了一個溫濕度傳感器。已知衣物在溫度16～28℃和相對濕度為40%～65%時，是最理想的存儲環(huán)境。衣物長期處于超出65%的環(huán)境中，容易發(fā)霉。本文設(shè)計(jì)了一個控制算法，該算法如圖1所示。

1.1.2" 降溫模塊

降溫模塊采用TEC1-12703模塊。此模塊采用了帕爾貼原理，如圖2所示。

此電路由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)電路通過直流電流時，N極的電流流到P極，形成了冷端，吸收了P極接頭的熱量達(dá)到了制冷的效果。此時，N極的接頭開始散發(fā)熱量，成了熱端。熱端需部署散熱片，以使熱端在安全溫度內(nèi)。

半導(dǎo)體制冷的效果好壞由N、P型半導(dǎo)體的特性

和熱端的溫度有關(guān)。熱端的溫度越低，此時冷端的制冷效果越佳。利用此原理，本文將半導(dǎo)體制冷片熱端貼上帶有硅脂的散熱片，再在散熱片上固定風(fēng)扇，強(qiáng)制對流傳熱。該原理將風(fēng)扇作為動力源，通過對流換熱的過程，將散熱元件的熱量傳遞給流經(jīng)其表面的空氣。

由于熱量的傳遞是通過對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱的綜合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，散熱器的設(shè)計(jì)需要優(yōu)化散熱面積和氣流速度，以最大程度地增強(qiáng)傳熱效果。通過風(fēng)扇引導(dǎo)空氣流經(jīng)散熱器，空氣吸收散熱元件的熱量，形成熱空氣，然后將熱空氣排出系統(tǒng)外部，以保持散熱元件的溫度在可接受的范圍內(nèi)。

基于以上原理，本文設(shè)計(jì)了一個降溫模塊，如圖3所示。

1.1.3" 祛濕加熱模塊

加熱模塊采用了正溫度系數(shù)熱敏材料（Positive Temperature Coefficient，PTC）。應(yīng)用PTC發(fā)熱片實(shí)現(xiàn)衣柜祛濕加熱具有多方面的優(yōu)勢。首先，PTC發(fā)熱片具備自動調(diào)溫功能，可以自主調(diào)節(jié)溫度，從而有效防止過熱問題，提高使用的安全性。其次，PTC發(fā)熱片具有快速升溫和自動調(diào)溫的能力，能夠迅速將衣柜加熱至設(shè)定溫度，并智能地降低功率，以節(jié)省能源并提高能效。此外，PTC發(fā)熱片能夠均勻地加熱衣柜內(nèi)部空間，確保濕度平衡分布，使得衣物在除濕過程中獲得均衡的效果。

PTC發(fā)熱片具有長壽命和高耐久性，能夠穩(wěn)定可靠地工作，降低更換和維修的需求，延長使用壽命。另外，相較于傳統(tǒng)電熱器，PTC發(fā)熱片無噪聲和異味，不會影響使用者的舒適體驗(yàn)，也不會使衣物產(chǎn)生異味。

可見，采用PTC發(fā)熱片實(shí)現(xiàn)衣柜祛濕加熱在安全性、能效優(yōu)化、均勻加熱、長壽命、無噪聲和無異味等方面具有明顯的優(yōu)勢。基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個祛濕加熱模塊，如圖4所示。

1.1.4" 溫濕度測量模塊

為了實(shí)現(xiàn)溫濕度［6］的測量，本文采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊。DHT11是一款數(shù)字溫濕度傳感器，具有校準(zhǔn)系數(shù)和數(shù)字信號輸出功能，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證了可靠性和長期穩(wěn)定性。該傳感器內(nèi)部包含1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件。DHT11傳感器經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中。傳感器在處理信號時使用這些校準(zhǔn)系數(shù)，通過單線制串行接口進(jìn)行簡易快捷的系統(tǒng)集成。此外，DHT11具有超小的體積和極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上。DHT11溫濕度傳感器與MCU的連接如圖5所示。

1.2" 數(shù)據(jù)上傳模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺上，本文采用了ESP8266Wi-Fi模塊，主要用于將硬件設(shè)備采集的信息與物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)雙向信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)智能衣柜的互聯(lián)性。其中，衣柜的設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到智能的要求，也要實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)化。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)云傳輸功能采用樂鑫公司的ESP8266芯片。該芯片高度集成了無線模塊，具備完整的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，支持IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，包括Wi-Fi Direct和Station模式，可用于AP模式、STA模式和AP+STA模式。該模塊內(nèi)部電路如圖6所示。

在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，ESP8266被配置為STA模式，接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)和艾什頓物聯(lián)平臺進(jìn)行消息的通信，在本系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置MQTT連接所需的參數(shù)，如服務(wù)器地址、端口、客戶端ID、用戶名和密碼，利用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。ESP8266提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸和安全性保護(hù)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。通過與艾什頓物聯(lián)平臺的云端互聯(lián)，ESP8266能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸和遠(yuǎn)程控制。ESP8266可以收集傳感器數(shù)據(jù)或設(shè)備狀態(tài)，并將其上傳到云端服務(wù)器，同時從云端獲取控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。這樣，用戶可以通過云端平臺實(shí)時獲取和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。本文采用ESP8266Wi-Fi模塊是數(shù)據(jù)上傳到云平臺的最好解決方案。

1.3" 自動照明模塊

自動照明模塊［7］處于工作模式主要是讀取室內(nèi)環(huán)境光強(qiáng)度并以是否有人使用為依據(jù)。當(dāng)檢測到有人時，該模塊將根據(jù)室內(nèi)環(huán)境光的強(qiáng)度來控制燈光的照明強(qiáng)度，并在人離開一段時間后，關(guān)閉燈光。此模塊中環(huán)境光感知使用TEMT6000傳感器。該傳感器采用高靈敏度的可見光光敏（NPN型）三極管構(gòu)造，能夠探測微小的光線變化，并通過約100倍的放大進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換以獲取電壓信號。當(dāng)光照射到TEMT6000上時，光敏電阻器件內(nèi)部的電阻值會隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致通過收集器引腳流過的電流發(fā)生變

化。光照越強(qiáng)，光敏電阻的電阻值越低，從而導(dǎo)致通過收集器引腳的電流增加；光照越弱，光敏電阻的電阻值越高，從而導(dǎo)致通過收集器引腳的電流減小。TEMT6000傳感器的反應(yīng)特性類似于人眼對光照強(qiáng)度的感知，能夠模擬人類對環(huán)境光線強(qiáng)度的判斷。TEMT6000集電極光電流與光照度的關(guān)系如圖7所示。

此模塊利用熱釋電紅外線感測器來感知是否有人在感知范圍內(nèi)，如果有人，再通過光敏傳感器來檢測當(dāng)前亮度是否滿足照明要求，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)亮度的功能，以達(dá)到節(jié)能和給用戶良好體驗(yàn)的目的。自動照明模塊運(yùn)行流程如圖8所示。

在實(shí)際工作過程中，可能遇到當(dāng)PWM［8］調(diào)光頻率較低時，人眼可能會感知到燈光的閃爍，感到不適或眼疲勞。較低的調(diào)光頻率可以導(dǎo)致明暗交替的可見效果，為了解決這個問題，本文采用增加PWM調(diào)光頻率［9］，使明暗變化更加平滑，減少閃爍的可見效果?？刂葡到y(tǒng)算法中符號包含：最佳適應(yīng)性的光照強(qiáng)度Ref、當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度L（t）、增益系數(shù)Δd、占空比u（t）、誤差δ（t）、誤差接受范圍Th和采樣周期T，如表2所示。

較高的調(diào)光頻率能夠使人眼無法察覺到光的明暗變化。在光照條件下，人眼對于視覺感知具有最佳適應(yīng)性的光照強(qiáng)度，設(shè)為常數(shù)Ref，將光照傳感器測量的目前環(huán)境光照水平設(shè)為L（t），實(shí)際誤差的計(jì)算基于一個特定的數(shù)學(xué)公式，該公式的具體形式是通過將常數(shù)Ref與相應(yīng)的當(dāng)前環(huán)境光照水平L（t）之間的差異進(jìn)行計(jì)算而獲得的。這個公式如公式（1）可以表示為：

δ（t）=Ref-L（t）（1）

得到相應(yīng)的誤差δ（t）后，使用優(yōu)化算法來降低誤差讓LED燈達(dá)到最優(yōu)照明狀態(tài)，當(dāng)|δ（t）|gt;Th時，如公式（2）所示。

u（t）=u（t）+Δd*sign（δ（t））

δ（t）gt;0，sign（δ（t））=1

δ（t）=0，sign（δ（t））=0

δ（t）lt;0，sign（δ（t））=-1（2）

由公式（2）可知 LED燈的控制策略，其中，u（t）表示當(dāng)前LED燈的亮度或照明狀態(tài)。當(dāng)誤差|δ（t）|大于一個閾值Th時，LED燈的亮度將進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整量Δd乘以sign（δ（t）），|δ（t）|是一個優(yōu)化算法的結(jié)果，它根據(jù)誤差的正負(fù)來調(diào)整LED燈的亮度。通過這樣的控制策略，LED燈的亮度將根據(jù)環(huán)境光照與人眼最佳適應(yīng)光照之間的差異進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以減小誤差并達(dá)到最優(yōu)的照明狀態(tài)。

1.4" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.4.1" 硬件平臺

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)祛潮防霉、空氣溫濕度檢測、無損快速烘干和自動照明功能。衣柜控制終端通過傳感器監(jiān)測溫濕度，并執(zhí)行相應(yīng)措施。狀態(tài)通過無線路由發(fā)送至艾什頓物聯(lián)平臺，連接衣柜和手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶可通過手機(jī)客戶端監(jiān)測溫濕度、遠(yuǎn)程控制功能，獲取運(yùn)行狀態(tài)和報告。該架構(gòu)設(shè)計(jì)提高了衣物保存質(zhì)量和衛(wèi)生程度，自動化溫濕度控制、防潮防霉、快速烘干和自動照明功能得以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖9所示。

1.4.2" 降壓電路

為了讓元器件正常工作，需要將220 V的交流電降壓為12 V以及3.3 V，以確保系統(tǒng)硬件部分的正常工作。系統(tǒng)的降壓電路如圖10和圖11所示。

2" 艾什頓物聯(lián)平臺搭建

艾什頓物聯(lián)網(wǎng)平臺如圖12所示，提供全面的服務(wù)，包括設(shè)備訪問、管理、監(jiān)控、操作、數(shù)據(jù)流和存儲。該平臺根據(jù)實(shí)例維度隔離數(shù)據(jù)，并允許靈活升級，以滿足特定的業(yè)務(wù)需求，具有無與倫比的可用性、并發(fā)性和成本性能，從而成為企業(yè)級云設(shè)備的首要選擇。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，在艾什頓物聯(lián)網(wǎng)平臺中創(chuàng)建一個新的產(chǎn)品，取名Smart_wardrobes。此項(xiàng)目的消息協(xié)議采用MQTT協(xié)議，用于接收來自硬件設(shè)備傳輸來的消息，以便于隨時更新此項(xiàng)目中的各項(xiàng)指標(biāo)。產(chǎn)品中還需要創(chuàng)建新的設(shè)備，并取名為智能衣柜終端，下一步則創(chuàng)建相應(yīng)的物模型，需要對屬性進(jìn)行定義，分別有屬性標(biāo)識、屬性名稱、數(shù)據(jù)類型和是否只讀，對于此項(xiàng)目的功能模塊，需要定義LED補(bǔ)光燈、風(fēng)扇、光敏傳感器和加熱元件的屬性，都將其值取為布爾值，再將空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器模塊的屬性設(shè)置為雙精度浮點(diǎn)數(shù)。由此，基于艾什頓物聯(lián)平臺的物模型搭建完成。

3" 系統(tǒng)測試

本文的系統(tǒng)測試階段基于成功搭建的物聯(lián)網(wǎng)平臺。該平臺能夠?qū)崟r收集和處理各種傳感器數(shù)據(jù)。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)和實(shí)施細(xì)節(jié)，并展示了通過該平臺創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集。該物聯(lián)網(wǎng)平臺由多個傳感器節(jié)點(diǎn)、邊緣設(shè)備和云端服務(wù)器組成。傳感器節(jié)點(diǎn)

負(fù)責(zé)采集環(huán)境、設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)，通過邊緣設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行存儲和分析。通過精心設(shè)計(jì)的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理流程，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時處理。這些數(shù)據(jù)包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通過在系統(tǒng)測試階段中的應(yīng)用，能夠評估本文所提出方法在真實(shí)場景中的性能和可行性，并驗(yàn)證其在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的適用性。系統(tǒng)采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)如圖13所示，系統(tǒng)所采集到的濕度數(shù)據(jù)如圖14所示，現(xiàn)場測試衣柜內(nèi)濕度變化趨勢如圖15所示，現(xiàn)場測試衣柜內(nèi)溫度變化趨勢如圖16所示。

4" 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能衣柜結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將硬件和軟件相結(jié)合，制定智能衣柜的可行方案，再結(jié)合艾什頓物聯(lián)平臺的數(shù)據(jù)分析和設(shè)備管理功能，進(jìn)行了硬件數(shù)據(jù)的仿真，將衣柜內(nèi)溫濕度值和其他硬件設(shè)備的布爾值記錄在了云平臺上，實(shí)現(xiàn)了本文智能衣柜所設(shè)計(jì)的功能。在未來，課題組將增加手機(jī)互聯(lián)的功能，使用戶在手機(jī)上就可以隨時隨地監(jiān)視衣柜狀態(tài)。

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（編輯" 王雪芬）

Design of smart closet system based on Ashton IoT cloud platform

WEI" Zhe， ZHOU" Zhanpeng*， ZHANG" Huan

（School of Computer Science， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract：" This paper aims to design an intelligent wardrobe simulation system based on the Ashton IoT platform. The system takes STM32F103 as the core of the system， and designs intelligent temperature and humidity algorithm， dehumidification heating module， cooling module and automatic lighting module. Combined with user requirements， the functions of clothing condition monitoring and intelligent temperature control are realized. Through a series of experiments and system tests， the feasibility and effectiveness of the system are verified. The experimental results show that the intelligent wardrobe system can accurately monitor the state of clothing， such as humidity and temperature. Compared with the traditional wardrobe， the system can improve the convenience and efficiency of clothing management， and enhance user satisfaction. The intelligent wardrobe system based on the Ashton IoT platform has good potential in realizing intelligent management and improving user experience. This study provides a useful reference for the development of the intelligent wardrobe field， and provides users with convenient and intelligent clothing management solutions.

Key words： smart wardrobe; Ashton IoT platform; status monitoring; clothes management