基于STM32 的降水感應智能晾衣系統設計＊

涂桂根，黃思慶，熊馮瑞，張敬軒，劉紫君，藍宗錦，張穩祺

（廣東海洋大學，廣東 湛江 524000）

科技發展是人民生活質量的重要保障，我國居民的生活節奏日益加快，快節奏與高質量的生活隨之成為人們追求的目標，智能家居的誕生旨在解決這一問題。近年來，結合物聯網技術的智能家居產品越來越豐富，已經走入了大城市居民的生活當中。在晾曬衣服方面，傳統的晾衣方式是自然風干，這種方法操作簡單，但是需要一直關注天氣狀況，當雨天突發時收衣就會顯得十分倉促，而在外出工作、學習時遇到下雨更是無奈。雖然目前已經有了烘干機，可以快速烘干衣服，但是它價格較高，耗能大，同時還容易燙壞衣物，不符合低碳生活的主題。顯然，人們需要一種智能、廉價、可靠、可遠程控制的晾衣系統。在已有對自動晾衣系統的研究中，許多作品已經達到一定的智能化，但是仍然有許多產品存在不能遠距離控制、結構過大、晾曬不均勻、成本高等問題。基于這些問題，本文設計了一種有結構小巧、智能化、可遠程遙控等優點的智能晾衣系統[1]。

1 機械結構以及運動控制的設計

1.1 結構組成

本文設計的晾衣系統中，為保證足夠的上升力和壓縮力，采用了絲桿螺母傳動機構。結構如圖1、圖2所示。

圖1 機械結構示意圖

圖2 機械結構示意圖

機械結構包括活動部分和固定部分，活動部分包括伸縮架、限位開關、MG996R舵機、42BYGH34步進電機（下稱42 電機）、伸縮絲桿、直流電機、防雨布等；固定部分包括安裝背板、控制箱（內含MCU、電源系統等）、57BYG250H步進電機（下稱57電機）、限位開關、升降絲桿等[2]。

1.2 機械運動控制

在初始狀態，STM32 驅動57 電機使升降絲桿轉動讓活動部分自動位于升降絲桿行程的最下端；同時驅動42 電機使收縮絲桿轉動讓收縮架處于縮回狀態，并且控制舵機自動調節掛環，使掛環平面與伸縮架伸出方向平行，伸縮架處于縮回狀態，以便放置衣物。當系統收到曬衣指令，STM32驅動57 電機使升降絲桿轉動，活動部分上升，為了使結構運行平穩，伸縮架仍保持縮回，直到活動部分到達升降絲桿行程最上方后，STM32 驅動42 電機使收縮架伸出。當系統收到收衣指令時，電機反向旋轉，先使收縮架縮回，后使活動部分下降。由于陽臺的特殊結構，越低的位置越容易被雨淋，所以當系統收到防雨指令時，STM32 驅動42 電機轉動收縮絲桿，使收縮架收回，同時驅動直流電機降下防雨布。天氣正常后恢復晾曬。

2 電氣控制系統的設計

電氣控制系統包括MCU、傳感器模塊、電動機模塊、通信模塊、電源模塊。為了使系統穩定可靠，采用了模塊化的設計方法，控制系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 硬件結構框圖

2.1 MCU

為了滿足本設計中的要求，MCU 需要有時鐘快、信號處理能力強、低碳節能、成本低等特點。STM32 是一款基于ARM Cortex M 架構的微控制器，與51單片機相比，擁有強大的時鐘系統，其具有性能高、功耗低、資源豐富、信號處理快且準確、通信能力強、I/O 接口多、運算速度快等優點。本文研究的晾衣系統中，使用了眾多的傳感器，以及電機、舵機的控制，需要MCU擁有許多I/O接口進行信號的輸入和輸出，并且能夠準確識別傳感器的反饋信號，并輸出相應的信號進行控制，同時在APP 遠程控制模塊，需要MCU有良好的通信能力，低功耗也是本次設計的要求之一，所以選擇STM32作為MCU能夠很好地滿足要求。本設計選擇STM32F103C8T6 芯片，它在滿足系統工作要求的前提下，成本更低，并且能夠節約更多的空間。

2.2 電源模塊

步進電機是本系統電壓需求最大的模塊，57 電機需要供電DC16 V～48 V，42 電機需要供電DC9 V～24 V，舵機和電機供電為DC3 V～6 V，選擇DC5 V；STM32 單片機選擇DC3.3 V 供電；傳感器都為DC3.3 V/5 V 供電，因為數量較多，所以要增加多個DC5 V供電口；通信模塊要與STM32連接，通過STM32 板載電源供電；考慮到以上因素，選擇AC220 V轉DC24 V3.5 A的開關電源，和LM2596S模塊完成DC24 V轉DC5 V，即可滿足系統供電。

2.3 傳感器模塊

雨滴檢測使用面積5×4 cm2的雨滴傳感器，當檢測到有雨時，DO 口發送低電平給STM32 表示有雨，AO 口發送模擬信號表示雨量大小；為了檢測光度，使用光敏電阻傳感器，向STM32發送模擬信號；為了防止運動超程，在兩個絲桿的行程初末位置安裝按鍵式開關，反饋數字信號；為了檢測溫度和濕度，選擇DHT11溫濕度傳感器反饋模擬信號。單片機對數字信號的讀取通過檢測GPIO口高低電位的方式進行，對模擬信號的讀取則是通過ADC模數轉換的方式進行。

2.4 通信模塊

為了保證用戶能夠實時準確地對系統進行控制，通信模塊需要滿足可控距離遠、功耗低、響應速度快的要求。在本文的設計中，采用ESP8266作為通信模塊，它是一款性價比高、功耗低的微控制器，在滿足長時間工作的同時符合綠色低碳的設計要求。

3 軟件設計

3.1 設備端軟件設計

設備端的軟件設計主要是STM32 芯片和ESP8266 兩部分，這兩部分都要進行相關代碼的編寫。為了使ESP8266能夠達到使用要求，需要通過USB 轉TTL 模塊連接電腦對ESP8266 進行初設置，ESP8266 總共有三種模式，分別是STA模式，AP模式以及STA+AP模式[3]。STA模式下可以將ESP8266 連接到用戶家庭WiFi，通過連接云服務器等中轉站進行遠程控制。首先要給模塊設置一個MAC 地址，將用戶家庭WiFi 以及云服務器的地址傳送給模塊，使模塊連接上服務器，同時手機通過軟件連接上服務器，就可以通過手機APP 進行遠程遙控。AP 模式下，ESP8266 將會自己產生一個WiFi，手機連接這個WiFi 后，就可以對ESP8266 進行指令傳輸。ESP8266 不能自動連接沒有連接過的WiFi，需要重新輸入ssid賬號和psw密碼，這時候可以通過ESP8266的AP 模式將ssid 賬號和psw 密碼傳輸給ESP8266，就可以切換到STA 模式中，即STA+AP 模式，本設計采用STA+AP模式，這樣就可以解決不同用戶有不同WiFi的問題。

STM32上的程序使用Keil uVision5 MDK版開發，使用C語言進行程序設計。系統有三個情況可以觸發電機的動作，各部分的中斷優先級從高到低分別是：按鍵模塊、無線通信模塊、傳感器模塊。系統開始運行后，無線通信模塊連接服務器，首先檢測行程開關，控制電機使活動部分置于最低位后，收到指令開始晾衣。當傳感器、按鍵模塊、無線通信模塊傳來信號，系統判斷信號是否有效，再執行動作。為了使衣物晾曬均勻，改善通風情況，用戶可以通過按鍵決定系統是否會定時旋轉舵機。到了晚上，光線傳感器響應，系統自動收衣。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3.2 手機端APP設計

本設計使用的手機端APP 是 基 于Android 系 統開發的，使用Java 語言開發進行開發[4]，能夠適用于大多數安卓手機，軟件的功能包括天氣檢測和指令發送。在軟件界面中，一共有6 個可控按鈕，分別是ssid、psw、一鍵晾衣、一鍵收衣、防雨模式、取消防雨，還有一個天氣顯示界面，用于顯示實時天氣狀況。其中“ssid”按鈕指的是用戶WiFi網絡的名稱，“psw”是指用戶WiFi的密碼，在首次使用晾衣架時，用戶應先連接系統通信模塊所發出的WiFi，然后將家庭WiFi 名稱輸入到“ssid”中，密碼輸入到“psw”中，稍等片刻便可以激活遠程控制功能。假如更改了家庭WiFi，按照同樣的方法輸入新WiFi的名稱和密碼即可，APP界面如圖5所示。

圖5 APP 界面圖

4 結語

本文設計了一種基于STM32 單片機控制的智能晾衣系統，結合傳感器和物聯網以及手機APP應用，將傳統的晾衣模式融入智能化。相比市場上的智能晾衣架，有占用體積小、成本低、工作穩定、可控距離遠、低碳節能等優點，解決了人們外出不能應對突發情況及時收衣服的問題。