智能家用無線風扇控制系統研究

陳炳飛

摘 要：針對傳統電風扇功能單一，滿足不了人們對家用電器智能化需求的問題，文中對實現電風扇控制智能化進行了研究。該系統以單片機為風扇控制器的主控芯片，設計溫度采集模塊和顯示模塊來對周圍環境實時采集并顯示;設計串口通信模塊來實現手機與單片機的通信;設計轉速控制模塊來實現對風扇的智能化控制。用戶可通過手機APP對風扇實現轉速控制、定時關閉和溫度控制等功能。經過測試，該系統性能穩定，實現了對風扇的無線智能化控制。

關鍵詞：無線電風扇;無線控制;溫度控制;轉速控制;智能家電;手機APP

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-0-04

0 引 言

雖然隨著人們生活水平的提高和家用電器技術的快速發展，電風扇慢慢淡出人們的視野，但有實驗表明，電風扇吹出的自然風比空調吹出來的冷風是更加舒適的。所以，對于家里有兒童、老人以及一些體質較差的人的家庭來說，電風扇還是他們納涼的首選[1]。

傳統的電風扇只能通過遙控或手動操縱機械開關對電風扇進行控制[2-3]，缺乏智能終端平臺和智能控制的研究設計。隨著社會經濟與科技的快速發展，人們的生活水平也飛速提高，實現用移動智能終端對電風扇的控制，對人們生活質量的提升具有很大意義[4-5]。特別在日常生活中，很多家庭會擔心小朋友跑到電風扇旁邊，用手觸碰風扇葉，或擔心頭發被風扇轉進去，因此有人選擇將電風扇放置在高處。可當人們將風扇置于高處時，對風扇的開關及轉速控制就變得困難，而選用智能終端對電風扇進行控制便成為大多數用戶的首選[6-8]。

本文針對傳統電風扇存在功能單一等不足，融合了人們生活對智能化的需求，設計了一款智能家用無線風扇控制系統。用戶只需直接使用手機APP就可以實現控制電風扇的開關、轉速、定時和溫控等功能。

1 總體設計

本智能無線風扇控制系統通過藍牙通信方式使手機和風扇控制器建立連接，實現手機遠程無線對風扇的控制，系統整體框架如圖1所示。手機對風扇的控制包括風扇開關功能、轉速控制、定時關閉和溫控功能。其中，轉速控制主要根據人體舒適性設計有四個分級檔位，實現對風扇風量大小的控制。定時關閉功能，即用戶可在手機設置一個時間，到時間點自動發送指令來關閉風扇。溫控功能主要利用溫度傳感器實現對周圍環境進行一個實時的溫度數據采集，并通過溫度高低來控制風扇的風量。將采集到的溫度數據通過液晶顯示，讓用戶可隨時了解當前的溫度。溫控功能避免用戶在半夜還需要關或者調整風扇的轉速，讓用戶可以更加舒適的睡覺，既節約用電，又貼心。風扇控制器以單片機為主控芯片，接收手機的具體指令來控制電風扇。單片機具有性能可靠和成本低等優點，與移動終端相結合，實現對電風扇的智能化控制，具有非常廣泛的市場應用價值。

2 硬件設計

本系統的風扇控制器選用的是不僅價格低廉、功耗低，而且應用廣泛的51單片機，型號為STC89C52。該芯片具有豐富的接口，是一款適合民用產品開發和學習的控制器。本產品的硬件系統設計包括由時鐘電路和復位電路組成的最小系統設計和電源電路設計，還包括4個功能模塊，即溫度采集模塊、顯示模塊、串口轉藍牙模塊和風扇驅動電路模塊。系統硬件的總體框架如圖2所示。

2.1 溫度采集模塊設計

溫度采集模塊使用DS18B20傳感器，該傳感器具有價格便宜、數據采集精準和結構引腳少等優點，與單片機的硬件連接，如圖3所示。該傳感器采用單總線傳輸技術，即單條信號線既可以作為時鐘信號又可以傳輸數據。

使用該模塊時，需先對它初始化。初始化完成后，單片機發送指令0xCC給該傳感器，啟動溫度轉換。接著重新初始化DS18B20，再發送指令0xBE，讀取溫度值。

2.2 風扇驅動模塊設計

家用電風扇大多使用可控硅改變交流電的導通角，從而改變電風扇兩端的有效電壓實現電風扇調速。本文用兩線直流風扇來模擬家用電風扇，通過改變風扇的輸入電壓來改變風扇的轉速。風扇的驅動電路如圖4所示。三極管、二極管、電感和電容組成了BUCK電路，單片機輸出PWM控制三極管的通斷，便可以改變輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓成一定比例關系，即Uo=（Ton/T）Ui。其中，Ton為PWM的導通時間，T為PWM周期。保持PWM周期T不變，只要改變導通時間Ton，就可改變風扇兩端的電壓，從而控制風扇的轉速。其中，當Ton為0時，輸出電壓為0，則關閉風扇。

2.3 顯示模塊設計

風扇控制器實時顯示周圍環境的溫度，便于用戶了解當前的環境。顯示模塊使用LCD1602字符液晶來實時顯示溫度傳感器采集到的周圍環境溫度。LCD1602可顯示兩行，每行可顯示16個字符，具有實用性高和操作簡單等優點，與單片機的硬件連接如圖5所示。RS為數據或命令選擇引腳，RW為讀寫選擇引腳，E為使能信號引腳，D0～D7為數據或命令輸入引腳。使用LCD1602液晶顯示時，先對它進行初始化，接著輸入命令確定要顯示的位置，再將要顯示的字符傳輸給LCD1602即可顯示。

2.4 串口轉藍牙模塊設計

手機和風扇控制器通過藍牙通信方式進行無線連接，由于風扇控制器采用的51單片機主控芯片沒有藍牙接口，故需外接串口轉藍牙模塊，實現接口擴展。本系統使用HC-05模塊實現藍牙功能，該模塊與單片機的連接如圖6所示。單片機與該模塊通信時采用透傳模式，該模塊會將單片機的串口數據轉換成藍牙數據進行傳輸。

3 軟件設計

本產品的軟件設計主要包括風扇控制器端單片機軟件設計和手機控制端的APP設計。

3.1 單片機軟件設計

單片機軟件設計包括溫度采集、LCD顯示、串口數據通信和控制風扇轉速，工作流程如圖7所示。首先對單片機各個模塊進行初始化，如初始化串口、產生PWM的定時器、顯示模塊LCD1602和單總線溫度采集模塊等。

接著，判斷串口是否收到指令第一個字節，如果沒有收到，則表明無手機端的控制命令;如果收到指令第一個字節，則有手機端的命令發送過來，開始對指令幀進行接收，每收到一個字節都判斷一幀指令是否接收完成，如果一幀指令沒有接收完成，繼續接收直到完整收到一幀指令幀。當完整接收到一幀指令后，對指令進行解析。手機對風扇控制的指令有：開啟風扇、關閉風扇、定時關閉風扇、風扇轉速控制和溫度控制。根據解析到的不同指令，通過調節輸出的PWM占空比來控制風扇。

最后，對溫度數據進行采集和顯示。由于溫濕度傳感器采用單總線技術，用I/O口模擬單總線時序來對溫度數據進行采集。在LCD1602上顯示時，需先指定要顯示的位置坐標，再將溫度數據轉換成字符數據顯示。

3.2 手機APP軟件設計

手機通過藍牙與單片機進行連接通信，所以手機APP軟件開發針對Android藍牙通信開發[9-10]。手機端APP軟件設計流程如圖8所示。首先，需聲明添加藍牙權限Bluetooth，才能進行藍牙通信。獲取BluetoothAdapter對象，該對象是移動設備本地藍牙的適配器，包含了對藍牙操作的方法。通過BluetoothAdapter對象來判斷該手機是否支持藍牙，如果不支持，退出程序;如果支持，那么開啟藍牙。獲取之前已經匹配過的設備，按照列表顯示。如果為新設備，則調用startDiscovery（）方法搜索設備。搜索到設備之后，開始配對設備。

如果配對成功之后，則建立單片機與手機的藍牙通信。主程序接收按鈕的觸發消息，如果有用戶控制風扇按鈕被按下，則將指令寫入數據線程并發送給單片機。接著等待單片機的接收反饋，如果手機有收到接收反饋，則界面提示設置成功，如果超時未收到接收反饋，則提示設置失敗，用戶可重新設置。用戶控制風扇的按鈕有開啟風扇按鈕、關閉風扇按鈕、風扇一檔按鈕、風扇二檔按鈕、風扇三檔按鈕、定時關閉按鈕和溫控按鈕。

3.3 數據通信協議

為了保證通信的準確性，為手機端和單片機端之間通信定義數據通信協議，數據幀主要包括幀頭、長度、類型、數據和校驗。

手機端的用戶指令如圖9所示，共有7條指令，分別為開啟風扇指令、關閉風扇指令、風扇一檔指令、風扇二檔指令、風扇三檔指令、定時關閉指令和溫度控制指令。

風扇控制器接收到手機的控制命令之后，對風扇進行控制，并回復一幀數據給手機，表明已收到指令并已開始執行。指令回復幀如圖10所示。

4 測 試

對單片機系統上電，打開手機APP連接藍牙，如圖11所示。LCD1602模塊實時顯示采集的溫度，風扇一開始處理關閉狀態。通過操作手機APP按鈕，即可實現對風扇的無線控制。如對風扇進行溫度控制，在手機上設定好溫度，用戶點擊APP溫控按鈕，將命令發送給單片機，單片機接收到指令之后，則根據采集到的溫度實時調節風扇輸出的風量。

5 結 語

本文闡述了對家用電風扇智能化的研究，滿足人們使用移動設備控制電風扇的需求。用戶可通過手機軟件無線控制電風扇，控制風扇的開啟關閉、轉速、定時和溫度。并經過實際測試，結果表明該產品性能穩定，實現了無線控制的功能，對家用電風扇的智能化研究具有重要意義。

參考文獻

[1]穆壹瀾，李芷薇，譚瑤，等.嬰兒床智能風扇[J].物聯網技術，2019，9（2）：105-107.

[2]張娟，王露，劉世月，等.基于51單片機的智能電風扇設計[J].機械工程與自動化，2018（6）：157-158.

[3]劉慧勇，楊虹.基于STM32 的智能電風扇設計[J].現代電子技術，2014，37（21）：108-110.

[4]張飛鴿.基于增量式PID算法的電風扇系統設計[J].機械與電子，2016（12）：50-53.

[5]徐玉炎，明軒，張時毓，等.iShine智能創意多功能小風扇[J].物聯網技術，2013，3（2）：14-15.

[6]熊建橋，趙方偉，李小龍.基于STC89C52 單片機的智能電風扇設計[J].機電產品開發與創新，2011（1）：53-55.

[7]李陽，趙娟.基于單片機的智能電風扇的設計[J].南方農機，2018，49（23）：179-180.

[8]陸超逸，石杰元.基于MSP430 和Android 溫控距控智能電風扇設計[J].電子制作，2016（15）：13.

[9]魏銳斌，吳超益，毋茂盛.基于手機和藍牙的監控技術研究[J].物聯網技術，2017，7（12）：50-52.

[10]方天恩，漆晶，馬金輝，等.基于Android 的智能藍牙溫度計的研究與設計[J].電子技術應用，2017（43）：73-76.