基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙躍鵬,楊承翰,楊金林,高興文,陳佳歡

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 313018)

0 引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能行業(yè)的興起和流行[1]。家居智能化作為目前一種新興的發(fā)展趨勢，在世界范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展，成為當(dāng)前家居行業(yè)發(fā)展的主要趨勢之一[2-4]。隨著人們對(duì)生活質(zhì)量追求的提高，智能家居椅逐漸贏得大家的關(guān)注。智能家居椅作為智能家居的重要組成部分，憑借便捷、舒適等優(yōu)勢，引起廣大研究者的關(guān)注[5-6]。

針對(duì)智能家居椅控制系統(tǒng)，國內(nèi)外研究者開展了一系列研究工作。Fatima University采用Arduino微控制器和MIT軟件開發(fā)了一種自動(dòng)電子椅控制系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)主要幫助殘疾人士使用手勢和智能手機(jī)應(yīng)用控制自動(dòng)電子椅，幫助殘疾患者獨(dú)立移動(dòng)。Universiti Putra Malaysia采用模糊邏輯的人工智能設(shè)計(jì)了一種電子按摩椅[8]，可以根據(jù)血壓和心率傳感器讀數(shù)自動(dòng)配置治療方案，改善用戶的健康情況。西安理工大學(xué)采用LPC2131設(shè)計(jì)了一種投幣式按摩椅控制系統(tǒng)[9]。待投幣成功后，LPC2131控制器根據(jù)用戶需求發(fā)送按摩模式和按摩速度等指令，從而啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)具備音樂播放、按摩速度顯示、按摩模式選擇等控制功能。合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于STM32和觸摸屏的智能型數(shù)字化按摩椅控制系統(tǒng)[10]。該控制系統(tǒng)能夠?qū)Π茨Φ哪Ｊ胶退俣冗M(jìn)行調(diào)控，兼具M(jìn)P3音樂播放、語音對(duì)話等智能感知功能。目前，國內(nèi)外智能家居椅的控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴、配置復(fù)雜、操控難度較大[11-12]。

本文針對(duì)現(xiàn)有智能家居椅控制系統(tǒng)難以二次開發(fā)、接口兼容性較差等問題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32控制器的智能家居椅控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)擴(kuò)展了家居椅控制系統(tǒng)的輸入輸出接口，采集多個(gè)傳感器模塊輸出、基于Java語言開發(fā)了“舒椅”微信客戶端應(yīng)用(application，APP)程序，采用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居椅的智能調(diào)控，為新一代智能家居椅控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路。

1 智能家居椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文對(duì)智能家居椅控制系統(tǒng)的輸入輸出接口進(jìn)行擴(kuò)展，旨在實(shí)現(xiàn)捶背結(jié)構(gòu)、椅子復(fù)合結(jié)構(gòu)、輔助閱讀結(jié)構(gòu)的智能控制。智能家居椅模型如圖1所示。

圖1 智能家居椅模型

選用STM32F103ZET6作為主控芯片，擴(kuò)展智能家居椅控制系統(tǒng)的輸入接口，接入測力傳感模塊、S型稱重傳感模塊、光電傳感模塊、WiFi模塊實(shí)現(xiàn)捶背結(jié)構(gòu)、椅子復(fù)合結(jié)構(gòu)、輔助閱讀結(jié)構(gòu)的執(zhí)行控制。基于STM32的智能家居椅控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于STM32的智能家居椅控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

①測力傳感模塊。

測力傳感模塊可實(shí)現(xiàn)捶背力度大小的測量。本文選用SBT630B作為測力傳感模塊的核心。該傳感器量程為0.5～3 kg。用戶根據(jù)“舒椅”客戶端APP反饋的測力值遠(yuǎn)程操控，調(diào)節(jié)捶背執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)捶背力度的控制。本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的SBT630B信號(hào)輸出應(yīng)用電路。

圖3 SBT630B信號(hào)輸出應(yīng)用電路

SBT630B采用模擬信號(hào)輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器HX720轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量ADDO傳送給STM32的GPIO口進(jìn)行采集，從而獲得當(dāng)前捶背力度值。用戶可根據(jù)當(dāng)前捶背力度值，在“舒椅”客戶端APP進(jìn)行調(diào)整。

②S型稱重傳感模塊設(shè)計(jì)。

S型稱重傳感模塊用于測定家居椅復(fù)合結(jié)構(gòu)受力大小。本文選用BS1型傳感器(量程0～200 kg)進(jìn)行了稱重傳感模塊的設(shè)計(jì)。由于BS1型稱重傳感器采用了差分信號(hào)輸出，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的S型稱重傳感模塊信號(hào)處理電路。

S型稱重傳感器的輸出端uin1和uin2，經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)放后求差獲得電壓信號(hào)uout。該電壓信號(hào)傳送給A/D轉(zhuǎn)換器，并將轉(zhuǎn)化的數(shù)字量傳送給STM32進(jìn)行采集，從而獲得當(dāng)前家居椅復(fù)合結(jié)構(gòu)受力值。用戶根據(jù)當(dāng)前復(fù)合結(jié)構(gòu)檢測的受力值，遠(yuǎn)程操控“舒椅”客戶端APP，選擇合適的檔位按摩或控制復(fù)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)助起等功能。

圖4 S型稱重傳感模塊信號(hào)處理電路

③光電傳感模塊。

本文選用熱釋電傳感器、光敏電阻以及BISS0001作為光電傳感模塊的核心，設(shè)計(jì)了如圖5所示的光電傳感模塊電路。

圖5 光電傳感模塊電路

熱釋電傳感器探測人體紅外輻射，光敏電阻探測當(dāng)前光照強(qiáng)度。當(dāng)外界光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值較小，BISS0001檢測到低電平，熱釋電傳感器輸出無效；當(dāng)外界光強(qiáng)較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，BISS0001檢測到高電平，熱釋電傳感器啟動(dòng)。此時(shí)，若用戶靠近家居椅，熱釋電傳感器檢測到信號(hào)，并將其發(fā)送至STM32進(jìn)行處理，從而驅(qū)動(dòng)輔助閱讀機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，以滿足用戶的閱讀需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

④WiFi模塊。

WiFi模塊可實(shí)現(xiàn)STM32與“舒椅”微信客戶端APP之間的通信。本文選用了ESP8266模塊，通過STM32發(fā)送相應(yīng)的AT指令，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)、控制指令的無線傳輸。

2 基于Java語言的遠(yuǎn)程操控模塊設(shè)計(jì)

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于Java語言開發(fā)了“舒椅”微信客戶端APP，旨在實(shí)現(xiàn)家居椅的便捷控制?！笆嬉巍避浖刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 “舒椅”軟件控制流程圖

為保證家居椅安全運(yùn)行，用戶在使用智能家居椅前需使用“舒椅”微信客戶端APP掃描家居椅的二維碼，登錄并進(jìn)入“舒椅”控制頁面，從而進(jìn)行后續(xù)的遠(yuǎn)程操控?！笆嬉巍笨刂平缑嬷饕胁榭?、捶背、閱讀等功能，用戶可根據(jù)需要自主選擇試驗(yàn)家居椅的控制。

3 智能家居椅控制性能試驗(yàn)測試

為驗(yàn)證本次智能家居椅控制系統(tǒng)的控制性能，本文開展了如下試驗(yàn)測試。試驗(yàn)分別針對(duì)椅子復(fù)合結(jié)構(gòu)、捶背結(jié)構(gòu)、輔助閱讀結(jié)構(gòu)開展了200次獨(dú)立控制試驗(yàn)測試?？刂葡到y(tǒng)性能測試試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，經(jīng)二次開發(fā)的智能家居椅控制系統(tǒng)的控制成功率最高可達(dá)90.50%，最低為85.49%，相對(duì)市場上智能家居椅控制性能有了很大提升。由于本文控制對(duì)象為試驗(yàn)室智能家居椅模型，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制難度較大，且各機(jī)械部件之間存在疲勞磨損、過量變形或零件斷裂等失效情況，導(dǎo)致各機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制性能有所差異。后續(xù)研究將進(jìn)一步完善各機(jī)械零部件，提升其控制性能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有智能家居椅控制系統(tǒng)二次開發(fā)難度大、接口兼容性差的問題。采用STM32控制器對(duì)智能家居椅控制系統(tǒng)的輸入輸出接口進(jìn)行擴(kuò)展，引入壓力傳感器、稱重傳感器、光電探測傳感器等對(duì)智能家居椅捶背結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、輔助閱讀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制的成功率大于85%，具備較高的控制性能。本次智能家居椅控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可為后續(xù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路。