可檢測溫濕度的智能衣柜設計

朱瑞昕，周 由，鐘名焱，蔡宏斌

（遼寧科技大學 電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114051）

0 引 言

在未來，城市將面臨向智能城市的轉型，以便更有效地管理城市資源、公共安全等。智能城市概念包括經濟、生活等多個智能維度。隨著購房壓力的日益增大，合理的空間利用率逐漸成為人們裝修時考慮的重點。現如今，組合式柜組的應用雖然可以較好地利用上層空間，但存取物品時需爬高，具有一定危險性。南方空氣潮濕，衣服在柜中長時間放置就會出現發霉的現象，這主要是衣柜內濕度過大造成的；同時，溫度過高時也有可能加強霉菌活性，導致衣物發霉。各種因素使得衣柜從只有儲存功能發展為具有多種功能的智能衣柜。

相較于國外的智能衣柜市場，在中國，衣柜作為普適性家具，其功能單一，智能化進程基本處于未起步狀態，因此存在著巨大商業潛力。面對生活中需要照顧的老年和兒童群體，配置安全方便的家具以適應他們的生活需求，已成為時下亟待解決的問題。設計出良好的適老產品與環境已經變得尤為重要。市場上出現的衣柜主要分為兩種：一種是傳統衣柜；另外一種是實現了升降功能，但造價高、需要手動搖桿來控制。有些衣柜的用戶還可以通過APP實現遠程選擇衣物、控制衣柜等，但這對于老人來說存在局限性：他們大多不會使用智能手機。因此，相關產品的自動化、個性化、智能化必須進一步增強。

針對當前衣柜存取物品的危險性高和功能單一等實際問題，本文設計一種含有自動升降系統的智能衣柜。在架構設計上采用X型剪式升降機構、滾珠式絲桿機構、重型滑軌機構等簡單的機械結構實現自動控制柜體升降，操作簡單、可靠性高、占用空間小。在功能上通過溫濕度模塊對衣柜內部進行實時監控，并反饋給用戶；通過超聲波模塊實現緊急制動功能，降低危險性；設計觸控屏幕以及聲音檢測裝置實現對衣柜的多方式操控。

1 系統整體結構設計

本文設計的智能衣柜以STM32F103C8T6（ZET6）為主要系統編程控制以實現其自動化。系統主要包括主控模塊、溫濕度傳感器模塊、超聲波模塊、聲音檢測模塊、LCD液晶屏模塊、OLED模塊。為避免高空存取物品時需要爬高的風險，擬設置多種運行模式，可通過觸控按鍵、語音檢測等自動控制上方儲物柜的升降。當儲物柜借助超聲波模塊檢測到制動距離時及時停止。在程序內設置適宜存放衣物的環境參數，智能衣柜系統自動監測環境，實時數據超過設定范圍時即觸發蜂鳴器報警裝置，及時提醒使用者衣柜狀況不良，此時可以人為地進行室內通風。系統工作流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程

2 機械結構設計

本系統裝置通過步進電機提供動力，利用電機的正轉、反轉控制智能衣柜的自動開關門以及升降功能。通過固定在支架上的電機驅動齒輪作用，進而控制衣柜內部箱體的運動。箱體自動升降設計如圖2所示。

圖2 箱體自動升降設計圖

箱體自動升降裝置的工作機制如下：

（1）設計皮帶傳動裝置，通過步進電機實現皮帶的轉動，使另一端的絲桿帶動連接裝置實現柜門運動。

（2）通過固定在支架上的電機帶動齒輪轉動，與齒條嚙合產生使滑軌前后運動的力，從而實現衣柜上層空間進出的功能。

（3）通過步進電機連接絞盤，帶動吊繩；利用多節伸縮桿導向，給電后主控驅動步進電機運轉，實現儲物柜的升降功能。

箱體的功能觸發方式為：①通過觸發下降按鈕實現儲物盒從箱體內部出來再到下降的功能；②通過觸發上升按鈕實現儲物盒上升進入箱體的功能；③通過觸發停止按鈕，可使儲物盒在下降或上升過程中的任意位置停止。

3 硬件模塊的工作原理及設計

3.1 HC-SR04超聲波模塊

聲波根據頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。振動頻率大于20 kHz以上的聲波被稱為超聲波，超出了人耳聽覺的上限，具有頻率高、波長短、繞射現象小、方向性好等特點。廣泛應用于醫療、工業檢測、國防通信等領域。

本衣柜采取HC-SR04超聲波模塊實現衣柜的制動功能。HC-SR04超聲波模塊測距的方式為非接觸式，它的測量范圍為2～400 cm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。擬在儲物盒的下方安裝HC-SR04超聲波模塊，其下拉電阻可以調節靈敏度和測試角度，增大下拉電阻會獲得更遠的測量距離和感應角度。實時監測與下方物體的距離，用以檢測儲物盒下是否有物體出現，從而控制電機的制動等功能。

3.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款數字溫濕度復合傳感器，包括一個高分子電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，通過標準的單總線通信方式與微處理器通信。為了使其測試更精確，將該模塊固定在衣柜內壁。在發送端，STM32控制傳感器模塊進行采集，通過串口將接收到的數據傳遞給芯片，對數據進行分析、處理以及實時顯示，確保測溫測濕功能穩定可靠、響應速度快、抗干擾性能強。令模塊與OLED連接，將所測數據顯示在OLED屏幕上，在濕度高于70%、溫度高于27 ℃時發出警報，及時提醒人們通風干燥、防止霉菌。

DHT11與微處理器的連接：數據線長度小于20 m時可用5 kΩ的上拉電阻，長度大于20 m時看情況選擇電阻。

3.3 TFT-LCD觸摸屏

TFT是一種薄膜晶體管液晶顯示器，支持五點同時觸摸。當使用者觸摸屏幕時，與液晶屏接觸點將產生微小電流，造成該部分產生壓降、該波動返回到主控，利用這種感應電流的方式來達到觸摸控制的目的，但帶上手套觸摸屏幕時會毫無反應。利用STM32編寫控件，處理受壓位置，在LCD上顯示以控制電機運行。采用NT35510驅動，LCD采用16位8080并行接口與主控實現通信，觸摸屏采用IC接口。

3.4 聲音檢測-聲音傳感器模塊

VCC外接3.3～5 V電壓，該模塊對環境聲音強度具有一定敏感性。在周邊聲音強度未達到設定的閾值時，OUT端將輸出高電平；當超過該值時，OUT端將輸出低電平。使用STM32檢測模塊輸出的高低電平，對衣柜周邊聲音進行判斷。可以通過拍手等方式進行聲控控制，實現衣柜箱體進出功能。

4 系統軟件程序設計

系統主程序使用Keil工具編寫，由初始化程序、超聲波測距程序、電機驅動程序、溫濕度檢測程序、OLED顯示程序、觸摸屏程序、聲音檢測程序組成。系統軟件程序流程如圖3所示。

圖3 系統軟件程序流程

4.1 超聲波測距

使用飛行時間（TOF）的基于超聲波的距離測量已是不同領域、不同應用中所采用的基本技術。STM32ZET6單片機提供一個大于10 μs的脈沖信號從I/O口輸出，用以觸發模塊；收到觸發信號后，單片機發出8個40 kHz的周期電平，等待回響。經超聲波接收電路處理后的回波信號比較微弱，而且有干擾信號存在。經兩級濾波電路處理后回波信號放大明顯，消除大部分干擾。根據發射和接受信號的時間差測距（（高電平時間×聲速）/2，聲速為340 m/s），實時監測與下方物體的距離，返回給單片機，實現制動。

4.2 溫濕度檢測程序

MCU發送start信號，拉低總線18 ms以上，然后拉高電平。DHT11檢測到開始信號并等待高電平延時結束后，發送一個80 μs的低電平作為響應，此時認為DHT11響應正常。拉高總線80 μs，準備發送數據；至最后一位數據傳輸結束后，拉低總線50 μs，處于空閑狀態。采集的實時數據傳送給MCU，若超過給定范圍，蜂鳴器會發出報警信號。

5 測試結果與分析

5.1 溫濕度測量曲線

如圖4所示，在環境穩定的情況下，模擬室內溫度，通過人工加溫，對溫度進行100 min以內的持續數據檢測，以此測試衣柜的報警響應。為避免因環境因素引起的小范圍溫度上升的誤報警情況，在程序中設定：當溫度在15 min內持續高于27 ℃時，才認為達到報警條件。從圖中可以看出，隨著溫度的不斷上升，達到設定值27 ℃后繼續觀察15 min，仍滿足條件后，STM32F103C8T6（ZET6）發出一個高電平的脈沖信號給蜂鳴器，此時衣柜開始響應，實現自動報警功能。

圖4 智能衣柜溫度測試數據

同理，當濕度達到70%，并在此后的15 min內仍舊大于70%時，單片機發出高電平，蜂鳴器響應報警。測試效果如圖5所示。

圖5 智能衣柜濕度測試數據

當衣柜發出報警時，提醒人們通風干燥，至溫濕度持續低于設定值時發出低電平信號，報警停止。停止狀態與響應狀態過程類似，在此不做贅述。

5.2 超聲波測距曲線

為了保證智能衣柜的安全性，測試衣柜能否在有人突然出現在儲物柜下方時緊急制動，進行障礙物模擬實驗，如圖6所示。

圖6 不同制動距離下的曲線

圖6（a）為衣柜下降過程中與下方障礙物的間距變化曲線，設置衣柜初始高度為65 cm；圖6（b）為障礙物高度變化曲線，初始高度為0 cm（無障礙物）。

在4 s時人為添加一個25 cm的障礙物（模擬人類），可以看出柜體下方與障礙物之間的距離急劇減小，間距由超聲波測量后返回給單片機，至距離障礙物10 cm處電機停止運行并報警，衣柜不再下降，實現了檢測到障礙時緊急制動的功能，保證了使用者的安全。

6 結 語

本文設計了一種可檢測溫濕度的智能衣柜，通過相對簡單的機械結構實現電機帶動絞盤控制衣柜運動，利用傳感器采集各項數據傳回主控進行分析，進而控制衣柜的不同響應，實現衣柜的多功能化，例如：對空氣溫濕度的實時檢測及顯示；在柜體內部環境不良時發出報警；智能控制柜體的運動，實現對危險距離的判斷及緊急制動。