基于單片機(jī)的智能曬衣架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

甘嘉燚,慕文靜

(廣西民族師范學(xué)院,廣西 崇左 532200)

傳統(tǒng)晾曬裝置無法檢測周邊環(huán)境數(shù)據(jù),不能與智慧生活相結(jié)合[1],故需要發(fā)展新的智慧晾衣架?？舍槍μ鞖庾兓砑痈兄K,以單片機(jī)作為控制芯片,實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)控制。晴天時(shí),光照強(qiáng)度高于預(yù)先設(shè)定值,熱光傳感器發(fā)生感應(yīng),單片機(jī)接收到晾衣信號,發(fā)出指令,控制晾衣架電機(jī)正轉(zhuǎn),帶動(dòng)晾衣架卷簾門升起、晾衣架伸出,達(dá)到晾曬衣物的目的。當(dāng)天氣突變時(shí),晾衣架濕度傳感器讀取到雨量大于默認(rèn)值時(shí),單片機(jī)接收到收衣信號,發(fā)出指令,控制晾衣架電機(jī)反轉(zhuǎn),帶動(dòng)晾衣架收回、控制卷簾門關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣下保護(hù)衣物的目的[2]。智能晾曬系統(tǒng)操作簡單,運(yùn)行穩(wěn)定,成本低廉,可提高衣物晾曬效果,改善人們的生活質(zhì)量[3]?？稍诹罆窦苌霞尤腼@示模塊和WiFi模塊。顯示模塊使用LCD12864,成本較低,可通過屏幕實(shí)時(shí)查看天氣、光線及溫濕度數(shù)據(jù),顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài),便于操作[4]。部分WiFi傳輸選擇ESP8266-WiFi模塊,發(fā)送命令給終端進(jìn)行控制[5]。當(dāng)光線或天氣發(fā)生變化,光敏與濕度檢測模塊數(shù)據(jù)發(fā)生變化,發(fā)出命令,控制晾衣架伸出或收回[6],通過云服務(wù)向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。本研究結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),將單片機(jī)與各類傳感模塊及WiFi傳輸模塊相結(jié)合,設(shè)計(jì)了智能衣架系統(tǒng),具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能衣架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

衣架系統(tǒng)采用翻轉(zhuǎn)式收衣結(jié)構(gòu),左右兩邊固定不銹鋼柱子,柱子頭部固定在陽臺(tái)天花板處,末端加裝步進(jìn)電機(jī),電機(jī)連接不銹鋼柱并向前延伸,后與另一端延伸的柱子相連接,組成衣架基本架構(gòu)。在對應(yīng)的位置布置濕度傳感器模塊及光線傳感器以采集天氣數(shù)據(jù)。在衣架旁可直觀看到步進(jìn)電機(jī)及風(fēng)速傳感器,DH11溫濕度傳感器根據(jù)陽臺(tái)位置布置在衣架對應(yīng)的位置。

2 智能衣架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)路線

文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[7]的智能衣架設(shè)計(jì)采用電動(dòng)伸縮與控制卷簾門關(guān)閉,本設(shè)計(jì)采用電動(dòng)翻轉(zhuǎn)式,省略了卷簾門設(shè)計(jì),將電動(dòng)伸縮式控制改為電動(dòng)翻轉(zhuǎn)式,簡化了衣架結(jié)構(gòu),安裝方便。加入ESP-01S無線模塊與DHT11溫濕度模塊及備用電源,無線模塊令智能衣架系統(tǒng)通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作,無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務(wù)器,用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測陽臺(tái)天氣數(shù)據(jù),使衣架系統(tǒng)滿足生活需要。溫濕度模塊監(jiān)測溫度及濕度,令使用者更直觀地掌握天氣狀況。備用電源并聯(lián)在電源上,可應(yīng)對突發(fā)停電情況,保持智慧衣架的正常運(yùn)作。

ESP-01S外觀尺寸與原理如圖1、圖2所示。ESP-01S是基于ESP8266芯片開發(fā)的模塊,用戶可使用AT指令令其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問,支持4 Mbps連傳,在WiFi打印機(jī)、WiFi串口攝像頭等數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中速度更快,廣泛應(yīng)用于智能家居中。

圖1 ESP-01S外觀尺寸

圖2 ESP-01S原理

ESP8266模塊有3種工作模式：①STA 模式。本模塊可通過熱點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò),手機(jī)或電腦可通過網(wǎng)絡(luò)對本模塊進(jìn)行控制。②AP 模式。ESP8266模塊作為熱點(diǎn),使手機(jī)或計(jì)算機(jī)直接與模塊通信,實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。③STA+AP 模式。是兩種模式的共存模式,可通過互聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)無縫切換,方便操作。

使用串口調(diào)試助手方便測試ESP8266模塊是否正常,測試步驟如下：安裝USB轉(zhuǎn)TTL模塊驅(qū)動(dòng)。給ESP8266上電后,用數(shù)據(jù)線連接電腦,使用串口助手連接串口,選擇波特率115 200,在文本框輸入AT并發(fā)送,若成功則返回OK,反之重復(fù)發(fā)送或檢查前面步驟。

搭載服務(wù)器。模塊作為服務(wù)器,AT指令設(shè)置模塊進(jìn)入Server模式,TCP調(diào)試助手連接模塊。PC作為服務(wù)器,設(shè)置PC端為TCP Server模式,模塊作為客戶端向PC申請埠(AT+CIPSTART=“PC端IP”埠)。

ESP-01S各管腳功能如表1 所示。

表1 ESP-01S管腳定義

圖3與圖4展示了DHT11溫濕度感應(yīng)模塊的封裝正面與側(cè)面。DTH11溫濕度為4針單排引腳封裝(表2為DHT11溫濕度模塊引腳示意),測量濕度為±5%RH,測量的溫度精度為±2%,可滿足日常生活的濕度與溫度測量需求。

表2 DTH11溫濕度模塊引腳

圖3 DHT11溫濕度感應(yīng)模塊正面

圖4 DHT11溫濕度感應(yīng)模塊側(cè)面

圖5 具體技術(shù)路線

采用STM32單片機(jī)作為CPU主控平臺(tái),控制系統(tǒng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)天氣監(jiān)測。根據(jù)天氣調(diào)整SG90電機(jī),控制曬衣桿的翻轉(zhuǎn),利用光敏電阻光強(qiáng)傳感器來檢測天黑天亮,天黑降低曬衣高度,天亮放出;濕度傳感器則檢測是否下雨,使用風(fēng)力傳感器進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測,判斷風(fēng)力大小,從而調(diào)整曬衣角度或進(jìn)行收衣;使用鋰電池作為備用電池,以 防斷電時(shí)衣架系統(tǒng)無法進(jìn)行翻轉(zhuǎn)控制。在硬件方面可外置鞋架框,進(jìn)行鞋子晾曬。

3 衣架系統(tǒng)運(yùn)行原理

圖6給出了智能衣架系統(tǒng)的運(yùn)作流程,衣架系統(tǒng)運(yùn)作時(shí),由各類傳感器與WiFi模塊給主控STM32模塊發(fā)送采集數(shù)據(jù),CPU模塊對各傳感器采集的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,確定是否適合曬衣,若判斷天氣惡劣則控制電機(jī)反轉(zhuǎn),電機(jī)翻轉(zhuǎn)則帶動(dòng)曬衣桿翻轉(zhuǎn)收回衣物。若天氣變化,CPU模塊會(huì)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,使曬衣角度降低,防止天氣突然惡化,降低曬衣高度以保證衣物安全。完成以上動(dòng)作后,通過ESP-01S模塊訪問網(wǎng)絡(luò),發(fā)送天氣數(shù)據(jù),向用戶回饋,使其了解晾衣情況。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)作流程

4 結(jié)論

利用STM32單片機(jī)作為主體芯片,設(shè)計(jì)了一款智能衣架系統(tǒng),其由SG90電機(jī)、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、ESP-01SWiFi模塊組成。STM32芯片作為主控模塊,利用DHT11溫濕度傳感器與濕度傳感器等各類傳感器采集天氣數(shù)據(jù),判斷天氣是否適合曬衣,通過電機(jī)控制曬衣桿的翻轉(zhuǎn)角度,從而進(jìn)行曬衣操作。若天氣不好,主控芯片會(huì)控制電機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)收衣操作或進(jìn)行角度調(diào)整降低曬衣高度。通過WiFi模塊向用戶回饋天氣數(shù)據(jù)并提供無線操作。此設(shè)計(jì)為衣架系統(tǒng)配備了鋰電池備用電源,防止在突發(fā)停電時(shí)無法收衣,衣架重量輕,結(jié)構(gòu)簡單,兼具智慧性,改變了傳統(tǒng)的升降式收衣方式。