基于NodeMCU的智能衣柜設計

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003）

隨著現(xiàn)在的智能家居的發(fā)展，越來越多的智能化的產(chǎn)品走入人們的視野。智能化的產(chǎn)品幫助人們解決了生活中的部分問題，提高了人們幸福生活的體驗。針對現(xiàn)有的家庭衣柜存在的問題，提出了一款智能的現(xiàn)代化的解決方案，減小由于溫度、濕度變化對衣物造成的影響。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由主控制器：可聯(lián)網(wǎng)的主控器NodeMCU、步進電機以及控結(jié)構(gòu)、溫濕度傳感器、通風風扇等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計圖

1.1 單片機主控制器

主控芯片采用樂鑫公司開發(fā)的ESP8266芯片，使用的是經(jīng)過封裝的NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)模塊。本次開發(fā)使用C語言，在Arduino平臺進行開發(fā)，由于Arduino平臺提供有眾多的庫文件，更加方便快捷地開發(fā)工程。作為一款物聯(lián)網(wǎng)模塊，該芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持802.11協(xié)議，支持AP和STA模式。該芯片具有多路可編程IO，內(nèi)置定時器模塊，帶有一路ADC，可以輸出支持IIC、IIS、USART、SPI協(xié)議等。作為一款32位的單片機，主控頻率高、功能強大，可以在低功耗模式下使用，可以長時間免維護運行。該款芯片具有功能眾多、性能優(yōu)越、功耗低小等特點，可以勝任本次設計。

1.2 溫濕度的采集

本次設計方案采用的是SHT30款溫濕度傳感器模塊。該模塊體積小巧、供電方便，直接提供5 V的直流電壓即可。主控模塊使用IIC協(xié)議與溫濕度模塊進行數(shù)據(jù)交互，讀取方便，靈敏度高（0.1 ℃），可以敏銳捕捉溫度的變化。該模塊可同時直接采集來自衣柜的溫度、濕度數(shù)據(jù)。由于衣柜體積較大，采用分布式排布的方法，在衣柜中多角度、多點放置，同時定時采集，再計算平均值作為最終的輸出數(shù)據(jù)，最終將采集的溫濕度輸出到衣柜上的屏幕和手機終端。

濕度的采集僅用其中采集到的一組數(shù)據(jù)作為參考，溫度數(shù)據(jù)則采集衣柜內(nèi)部的多個部位的數(shù)據(jù)作為參考。采集的溫濕度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢測的幾個位置的溫度數(shù)據(jù) 單位：℃

由表1可知，衣柜內(nèi)部不同位置的溫度變化不大，但不同位置的溫度檢測稍微有所不同，可能受到光照或者其他的熱源的影響造成的。

1.3 屏幕顯示模塊設計

顯示模塊采用的是4.3英寸的HMI可觸摸串口液晶屏幕。串口屏具有可獨立設置UI的優(yōu)點，可以自定義設計顯示的UI，不占用過多的單片機的資源。串口屏幕可以顯示多級頁面，可以顯示衣柜的溫度、濕度、風扇的轉(zhuǎn)速、通風的時間、定時等信息以及開源平臺API接口獲取到的其他信息等，可設置用于控制的按鈕，簡單的屏幕GUI界面示意圖如圖2所示。

圖2 簡單的屏幕GUI界面示意圖

1.4 無線傳輸設計

無線傳輸分為主、從結(jié)構(gòu)。從機部分在衣柜外壁的合適的位置粘貼，主要用于驅(qū)動串口屏幕。主機部分內(nèi)置于衣柜內(nèi)壁，用來處理溫濕度數(shù)據(jù)和對步進電機、風扇的控制。

主機與主機之間借助WiFi進行無線的數(shù)據(jù)傳輸，外壁機作為從機，開啟STA模式，作為Client角色，連接作為Server角色的開啟AP模式的主機，兩機之間借助TCP/IP協(xié)議連接，進行點對點的數(shù)據(jù)交互。兩者均須連接家庭的無線路由器，并作為局域網(wǎng)中的一個節(jié)點。同時，設計了一款安卓APP，該APP也以TCP/IP方式在局域網(wǎng)內(nèi)連接到衣柜內(nèi)壁的主機進行控制指令發(fā)送和數(shù)據(jù)的交互，并顯示自定義的基于網(wǎng)絡開放API接口的可獲取的資源。

1.5 風扇控制設計

風扇的使用是為了加速空氣的流動，常通風有助于衣物保持穩(wěn)定的溫濕度，更好地保存衣物，避免發(fā)霉。風扇安裝在衣柜的頂部，設置百葉窗，可以在風扇關(guān)閉時避免衣柜外灰塵進入。

根據(jù)上文中針對當前的室溫的設計，計算出溫濕度與風扇轉(zhuǎn)速控制的相關(guān)的計算算法。

模塊內(nèi)部可以通過程序控制輸出一定頻率的PWM波，用于控制通風風扇的轉(zhuǎn)速。溫濕度的采為定時采集，當采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后超出設置的閾值，會按照一定的算法計算后設置PWM的占空比，控制風扇的轉(zhuǎn)速。當風扇經(jīng)過一段時間的開啟后，衣柜內(nèi)部的溫度和濕度會發(fā)生一定改變，此時風扇會停止轉(zhuǎn)動。同過這種反饋方式完成衣柜內(nèi)部溫濕度的調(diào)節(jié)，改善內(nèi)部環(huán)境。

風扇PWM輸入與溫濕度設計相關(guān)公式（n為部署的溫濕度傳感器的數(shù)量），如下：

式中：PWMnow——當前溫濕度采樣與設定值的比較的計算結(jié)果；Ts——溫度的設定值，目標值（℃）；Ti——當前的所有的溫濕度傳感器采集值的平均值（℃）；n——當前部署的溫濕度傳感器的個數(shù)。

風扇的開關(guān)跟隨衣柜內(nèi)部的溫濕度的變化，當超出設置的閾值時便會觸發(fā)開啟，回到閾值內(nèi)便會關(guān)閉，處于動態(tài)控制狀態(tài)，可以進行手動和APP的遙控指令操作，有關(guān)溫濕度與風扇轉(zhuǎn)速的算法設計如圖3所示。

圖3 有關(guān)溫濕度與風扇轉(zhuǎn)速的算法設計

1.6 電源供電設計

電源模塊分三部分。其中步進電機使用的是42步進電機，采用TB6600驅(qū)動器結(jié)合單片機的PWM信號進行驅(qū)動。供電采用獨立的家用220 V交流電經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)換成12 V直流電進行供電。其次，單片機和溫濕度模塊供電用線性降壓電路，將12 V轉(zhuǎn)換成5 V支流電源。最后，芯片供電，再次使用線性降壓電路將5 V直流降至3.3 V供電。

典型線性降壓電路圖如圖4所示。

圖4 線性電壓轉(zhuǎn)換電路圖

1.7 衣柜內(nèi)部步進電機設計部分

控制部分由步進電機、桁架、傳動鏈條、掛衣鉤組成。由于通風過程中衣服一直處于固定位置會使衣物受風不均，因此，在衣柜內(nèi)部設置了一個環(huán)形旋轉(zhuǎn)裝置，可以使衣物在衣柜內(nèi)部進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)均勻受風。

該旋轉(zhuǎn)裝置是仿照數(shù)控機床的回轉(zhuǎn)刀庫裝置結(jié)構(gòu)設計，由兩個步進電機驅(qū)動，每個步進電機上帶有兩個齒輪盤。傳動的方式采用鏈條傳動，使得傳動更加平穩(wěn)，產(chǎn)生噪聲更小，產(chǎn)生的摩擦力更小，減輕步進電機的工作壓力。

步進電機帶動齒輪盤旋轉(zhuǎn)，帶動鏈條傳動。在鏈條的連接處裝有掛衣鉤，衣物懸掛上，隨著鏈條旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，使得在通風過程中受風更加的均勻。步進電機的旋轉(zhuǎn)控制受內(nèi)部主機的控制，用戶可以通過APP或者外壁的屏幕發(fā)送轉(zhuǎn)動指令，可以輕松地控制衣架正反旋轉(zhuǎn)，當需要的衣服到達自己面前時停止。

2 系統(tǒng)主程序設計

主程序流程圖如圖5所示，電路原理示意圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 相關(guān)電路原理示意圖

3 相關(guān)的優(yōu)化

3.1 有關(guān)溫濕度傳感器的排布的優(yōu)化

由于衣柜內(nèi)部空間大，存放有大量衣物，當用戶剛放入衣服時，溫濕度會隨著時間的推移逐漸發(fā)生變化。所有的溫濕度不會同時發(fā)生變動，因此，在衣柜內(nèi)部安裝多個溫濕度傳感器檢測溫濕度的變化，取同一時間的數(shù)據(jù)的平均值作為PWM輸出的依據(jù)。

3.2 溫濕度檢測時間間隔和季節(jié)的有關(guān)優(yōu)化

在春冬天和夏秋天的室內(nèi)空氣的溫度和濕度會相差較多，因此，在季節(jié)變化時需要對設置的溫度閾值進行調(diào)整，使其更加符合需求。

4 結(jié)語

隨著嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，更多方案會被不斷提出，更多的智能家居產(chǎn)品被開發(fā)，基于云平臺和更加優(yōu)秀模組的搭配會給人們更加震撼的體驗。今后會開發(fā)出更加智能、人機交互更加友好的嵌入式產(chǎn)品，將會給消費者帶來更加舒適的體驗，助力嵌入式的更好的發(fā)展。