基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家用風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳述涵

摘? ?要：電風(fēng)扇是夏季家庭必備的降溫消暑電器，針對(duì)目前電風(fēng)扇工作模式單一，操作不方便等不足，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以嵌入式控制器STM32F103C8T6為核心，設(shè)計(jì)人體位置感知模塊、溫度感知模塊和WIFI通信模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)向自動(dòng)跟蹤，風(fēng)速自適應(yīng)調(diào)整，且可以通過用戶界面友好的手機(jī)APP操作電風(fēng)扇的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電風(fēng)扇? 智能家居? 嵌入式系統(tǒng)? WIFI? 手機(jī)APP

中圖分類號(hào)：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（a）-0145-02

目前，國內(nèi)市場上雖然出現(xiàn)了一些機(jī)械定時(shí)風(fēng)扇，能夠控制風(fēng)扇在工作一定時(shí)間后關(guān)閉，但定時(shí)范圍有限，且無法對(duì)溫度變化靈活處理。其次，傳統(tǒng)風(fēng)扇不能根據(jù)外界溫度的變化對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快慢進(jìn)行調(diào)整，也不能對(duì)風(fēng)扇的開關(guān)與否進(jìn)行自動(dòng)控制[1]，針對(duì)這些痛點(diǎn)，最近幾年也出現(xiàn)了一些遙控功能的電風(fēng)扇，方便了用戶的操作，但這些電風(fēng)扇普遍存在工作模式單一，操作不方便等缺點(diǎn)，滿足不了人們對(duì)操作方便性和感覺舒適性的要求，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)向自動(dòng)跟蹤，風(fēng)速自適應(yīng)調(diào)整，且可以通過用戶界面友好的手機(jī)APP操作電風(fēng)扇的運(yùn)行，大大提高了使用的便利性和舒適性。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)按照物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)來看，包含三層，如圖1所示，最底層是感知與執(zhí)行層，實(shí)現(xiàn)人體位置感知、溫度的測量以及風(fēng)速和風(fēng)向電機(jī)的控制;中間層是網(wǎng)絡(luò)通信層，本系統(tǒng)采用WIFI通信，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸;最上層為應(yīng)用層，主要是具有用戶界面友好的手機(jī)APP。

感知與執(zhí)行以及網(wǎng)絡(luò)通信的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是以嵌入式控制器STM32F103為核心，設(shè)計(jì)人體位置感應(yīng)模塊、溫度感知模塊和WIFI通信模塊等，如圖2所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括中央處理器、人體位置感知模塊、溫度感知模塊、WIFI通信模塊、電機(jī)控制模塊、操作面板以及智能手機(jī)等七個(gè)部分。其中智能手機(jī)無需設(shè)計(jì)硬件，安裝風(fēng)扇控制APP（FAN-APP）即可，下面重點(diǎn)設(shè)計(jì)其他的六個(gè)部分。

2.1 中央處理器

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6嵌入式控制器為中央處理器。 STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，工作電壓2V～3.6V，是一款優(yōu)秀分高性能低成本的家庭嵌入式微控制器，主頻速度為72MHz，外圍設(shè)備包括DMA，電機(jī)控制PWM，溫度傳感器，輸入/輸出數(shù)：37，程序存儲(chǔ)器容量：64KB FLASH[2]。

該控制器具有大容量的存儲(chǔ)器和電機(jī)控制PWM，非常適合本系統(tǒng)要求，減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了成本。

2.2 人體位置感應(yīng)模塊

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)向能夠自動(dòng)跟蹤人體功能，設(shè)計(jì)了熱釋電傳感器，應(yīng)用熱釋電效應(yīng)，當(dāng)傳感器檢測范圍內(nèi)溫度有ΔT 的變化時(shí)，因熱釋電效應(yīng)會(huì)在2 個(gè)電極上產(chǎn)生電荷ΔQ，即在2 個(gè)電極間產(chǎn)生微弱的ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ 會(huì)隨空氣中的離子結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無輸出[3]。

根據(jù)人體自身紅外輻射的特性，本系統(tǒng)通過紅外熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)人體的實(shí)時(shí)追蹤，根據(jù)跟蹤信號(hào)控制電機(jī)，從而間接控制風(fēng)扇的風(fēng)速、轉(zhuǎn)向、高度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的智能調(diào)節(jié)。

2.3 溫度感知傳輸模塊

在系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，溫度傳感器使用DS18B20傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)-55℃～+125℃的測溫范圍，并且固有測溫分辨率0.5℃，在實(shí)際運(yùn)行中不需要再次添加其他外圍原件。其內(nèi)部結(jié)果包括溫度傳感器、64位光刻ROM、配置寄存器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。DS18B20傳感器采用獨(dú)特的寄生電源供電方式，具有無需本地電源、無常規(guī)電源讀取ROM、電路簡潔、一根I/O口實(shí)現(xiàn)測溫等優(yōu)點(diǎn)[4]。

DS18B20 傳感器采用I2C通信，DQ、GND和VDD三個(gè)引腳與處理器的GPIO、地和電源相連接即可。

2.4 WIFI通信模塊

目前無線通信技術(shù)種類繁多，有藍(lán)牙，紅外，RFID，ZIGBEE，NFC，WIFI等技術(shù)。其中WIFI技術(shù)作為目前最常用的一種標(biāo)準(zhǔn)短距離無線通信協(xié)議，其傳輸速率高于藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)，傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，可達(dá)一百米，組網(wǎng)簡單，只需在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖靡粋€(gè)熱點(diǎn)，因此，WIFI成了我們生活中不可或缺的無線通信技術(shù)，并且智能手機(jī)一般標(biāo)配WIFI通信模塊。

本系統(tǒng)采用ESP8266WIFI模塊，它是一個(gè)集成度很高的芯片，里面包括天線開關(guān)，電源轉(zhuǎn)換器等。需要的外圍電路非常少，還是獨(dú)立的WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，具有很強(qiáng)的片上存儲(chǔ)以及運(yùn)行處理能力，完全可以通過GPIO 口實(shí)現(xiàn)與處理器相連接。

2.5 電機(jī)控制模塊和操作面板

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6嵌入式控制器為中央處理器自帶，電機(jī)控制PWM，控制系統(tǒng)中不需要增加風(fēng)向和風(fēng)速電機(jī)控制模塊，操作面板使用處理器的GPIO實(shí)現(xiàn)。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分，一是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，二是手機(jī)APP設(shè)計(jì)。

3.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)人體位置感知模塊輸出的信號(hào)，自動(dòng)控制風(fēng)扇方向電機(jī)去調(diào)整風(fēng)扇的方向?qū)?zhǔn)人體位置;根據(jù)溫度感知模塊輸出的溫度值去控制風(fēng)速電機(jī)，自適應(yīng)的調(diào)整送風(fēng)量，提高人體的舒適度;通過WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的通信;還需實(shí)現(xiàn)響應(yīng)操作面板和手機(jī)APP的命令實(shí)現(xiàn)預(yù)定模式的選擇、工作方式的選擇以及定時(shí)等操作。

3.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP主要實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信連接和數(shù)據(jù)傳輸;顯示溫度和時(shí)間信息;風(fēng)扇工作模式的設(shè)定等。

4? 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較好解決了傳統(tǒng)電風(fēng)扇的不足，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇風(fēng)向的自動(dòng)人體跟蹤，風(fēng)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，大大提高了風(fēng)扇使用的舒適度，還實(shí)現(xiàn)了利用手機(jī)APP對(duì)風(fēng)扇的操作，提高了風(fēng)扇使用的便利性，本設(shè)計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬巧梅.一個(gè)智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2018，42（8）：55-58，65.

[2] https：//baike.baidu.com/item/STM32F103C8T6.

[3] 田嘉晨，周厚滿，林創(chuàng)挺.利用人體自身紅外輻射的智能風(fēng)扇[J].科技與創(chuàng)新，2018（7）：55-56.

[4] 胡玉軒.基于STC單片機(jī)的智能電子溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].山西電子術(shù)，2017（4）：87-89.