基于阿里云的物聯網多功能衣柜

徐松華

（杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018）

智能家居的概念起源于80年代中期的美國，隨著IT行業在中國的飛速發展，智能家居行業于90年代中后期開始進入中國市場。隨著改革開放的不斷深化，中國人民生活水平的不斷提高以及房地產開發商對于智能化家居控制系統的重視，智能家居在中國初露鋒芒，智能衣柜“首當其沖”，智能衣柜也可以說是新時代家具行業的翹楚，是傳統家具在新時代的快速轉變，智能衣柜也慢慢地在衣柜市場上流行起來。

隨著國家經濟高速發展，國民生活品質逐步提高，人們對于衣物的需求量也越來越大。據市場調查顯示，隨著家庭成員的增加，加之每年新買的衣服，傳統衣柜已越來越不堪重負。人們下班后，拖著疲憊的身軀，還要花大量時間去整理衣物。根據生活經驗，平均每疊30件衣服大概需要10~15 min，人們為了挑選在工作、運動或者參加晚宴、度假以及其他各類活動需要穿著的服裝，要花費大量時間穿梭在各個衣櫥間。“找衣難、選衣難”已經成為了一個非常普遍及現實的問題。另外，平時人們忙于工作生活，基本不會經常整理洗曬衣物，衣物長時間置于普通的衣帽間中，時間長了會發出霉味。尤其在長江中下游地區，每年6、7月份都會出現持續陰天有雨的梅雨天氣，衣柜更加容易受潮，陽光又照射不到。人們日益增長地對美好衣柜的追求和傳統衣柜之間已經出現了矛盾。

基于此現象，本課題研究設計的多功能智能衣柜，可以完美解決日常家庭“衣量大、衣難找、易隱藏、易霉變”等問題。適應人們日益加快的生活節奏，滿足人們對高質量生活水平的追求。

1 衣柜設計步驟

本課題智能衣柜的設計過程主要包括前期市場調研、硬件設計、軟件程序編寫及整機調試。在前期的市場調研中，通過網上查閱相關資料、問卷調查、到大型家居公司考察調研等方式，了解目前智能衣柜市場的現狀，熟知不同用戶對于智能衣柜功能的需求以及傳統衣柜存在的不足。在硬件設計階段，首先通過CAD畫出衣柜整體構架以及各個零部件的具體位置，然后對各個配件進行選型，包括規格尺寸、材料類型、材料強度等。在程序編寫階段，需要根據衣柜的各種功能編寫相應的C語言程序，控制相關繼電器來控制各項功能的實現。最后是設備整體調試，這個階段也是項目進行的最后階段，要通過反復的試驗和調整來實現預期的功能目標。

2 衣柜硬件結構

硬件設計是項目的基礎，本衣柜采用智能系統控制機械運動，完成人們需要的動作，幫助人們日常選擇、整理、存放衣物。裝置采用人性化的設計思路，使用人機交互系統，在幫助人們節省時間的同時，除濕、殺菌功能使人們穿衣搭配更加安全。衣柜的柜體結構采用亞克力板制作，在立體空間內放置各項功能需要的零部件。衣柜的總裝配圖如圖1所示，主要物理結構由以下4部分組成。

圖1 衣柜機械結構總裝配圖

2.1 可翻轉式帽柜

可翻轉式帽柜設置于衣柜頂部，主要作用是存放帽子，工作時通過觸摸屏操作。用戶在人機交互系統界面上選定相應的目標后，單片機通過預設指令控制帽柜下部氣泵工作，氣泵帶動機械連桿將柜體向上翻轉，帽柜表面設置有掛鉤，當柜體翻轉至一定角度時，帽子懸掛于表面掛鉤上，用戶在此時可以拿取帽子。

2.2 自動取衣結構

自動取衣結構位置設計在衣柜中部，承擔自動選取衣物的作用。平時用戶只需要將衣物掛在軌道掛鉤上，當需要穿著時，通過觸摸屏選取對應的衣物，系統通過指令將衣物呈現在用戶面前。自動取衣結構主要由封閉式環形導軌、同步帶、電動機、軌道掛鉤等組成。雙導軌同步連動式結構均分布在導軌各處，下面有滑道掛鉤，掛著各種衣服。衣柜的智能觸摸屏上有各種衣服的圖片（可以拍照錄入系統），程序將它們按序號排列，并在屏幕下方的菜單欄加裝按鈕功能，每一件衣服都有屬于自己的信號（根據排列的順序，在STM32F103ZET6主板上輸入C語言程序），當用戶根據衣物圖片選擇需要的衣服后，STM32F103ZET6控制系統根據算法選擇最近的路程，控制電動機轉動，電動機通過齒輪帶動皮帶運動，轉動的過程中STM32F103 ZET6控制系統就會計算運行的時間和路程，STM32F103ZET6控制系統輸出信號指令，當信號達到所需要的值，正好與選擇的衣服信號匹配時，電機停止轉動，對應掛鉤上的衣物到達取衣口，把用戶選中的衣物呈現在用戶面前，完成自動取衣的過程。

2.3 智能彈出式柜子

智能彈出式柜子設計在衣柜的下端，承擔放置鞋子和襪子的作用。智能彈出式柜子主要的機械結構為三節式的阻尼滑道與智能電控箱柜鎖。平時用戶只需要把鞋襪等放置在智能柜子中，當需要穿戴時，只需要通過觸摸屏進行選取，當選取成功后，智能電控柜鎖就會自動彈開，帶動柜子在阻尼軌道上運動，使柜子自動打開，用戶即可拿取鞋襪。

2.4 殺菌除濕裝置

與傳統衣柜相比，殺菌除濕裝置是本課題衣柜比較新穎的功能。衣柜衣物容易發霉是傳統衣柜常見的問題，本衣柜的殺菌除濕裝置可以很好地解決這個問題。殺菌裝置的執行機構是紫外線殺菌燈。用戶可以通過觸摸屏打開殺菌功能，也可以通過手機APP遠程控制殺菌功能。利用紫外線殺菌的原理，通過紫外線對各種細菌及微生物進行持續性照射，破壞其體內的器官結構，起到安全穿衣的作用。紫外線燈的存在，將有效抑制細菌的生存。除濕裝置由濕度傳感器以及加熱器件組成，當濕度達到一定值時，濕度傳感器會給出一個反饋信號，此時觸摸屏上會顯示“濕度過高，請加熱”，用戶可以選擇手動加熱或定時加熱，時間由用戶自己設置，當按下加熱按鈕時，STM32F103ZET6控制系統給出信號，此時與STM32F103ZET6控制系統連接的繼電器，控制加熱功能的繼電器開關閉合，系統開始加熱（手動加熱需要自己關閉，定時加熱會自動關閉）。

3 衣柜控制系統

軟件程序設計是衣柜的核心組成部分，是系統設計的重要控制依據。軟件是連接用戶與硬件之間的橋梁，起到紐帶作用。用戶通過軟件程序和智能衣柜系統進行人機交流。系統控制圖如圖2所示。

圖2 衣柜系統控制圖

衣柜的控制系統由上位機（APP）和下位機（衣柜）兩部分組成，兩者通過MQTT協議在阿里云平臺進行通信，實現遠程控制與監測功能[1]。

上位機APP基于App inventor進行開發，可接收下位機的信息和向下位機發送信息。下位機由5大模塊組成，分別為單片機模塊、顯示模塊、溫度測量模塊、WIFI模塊、繼電器模塊。單片機模塊即控制模塊，是整個系統的大腦，由STM32F103ZET6最小系統組成。顯示模塊即人機交互界面，可通過觸摸屏實現衣柜的各項功能，由電容觸摸屏組成。溫度測量模塊由DS18B20及外圍電路組成，測量衣柜內的實時溫度。WIFI模塊即通信模塊，下位機通過WIFI模塊發送和接收信息，實現物聯網遠程監控，由ATK-ESP8266及外圍電路組成。繼電器模塊即單片機控制的不同外圍電路，因這些外圍電路都為大功率器件所以用繼電器控制開關，由電動機、真空壓縮機、除濕機、紫外線燈等組成。

3.1 STM32F103ZET6控制系統

STM32F103ZET6控制主板是衣柜的核心之一，放置于衣柜頂部，由C語言執行程序代碼。STM32F103ZET6控制系統使用性能較高的ARM Cortex-M3內核元器件，有非常豐富的接口和通信模塊以及其他功能模塊[2]。在功耗方面控制較好，能耗低，實時性強，有著強大的控制功能。其工作主頻默認為72 MHz，內部有高速存儲器，豐富的增強型I/O端口和外設元器件，不僅支持JTAG調試的方式，而且支持SWD調試方式[3]。當用戶通過人機交互系統選擇所需功能時，STM32F103ZET6主板將立刻做出相對應的控制命令，來達到用戶的實時要求，實現功能方便快捷穩定。

3.2 遠程控制模塊控制系統

遠程控制模塊基于阿里云平臺實現。阿里云是全球領先的云計算及人工智能科技系統，在互聯網云平臺高速發展的今天，其較低的成本，強大的計算能力，安全可靠的數據處理能力，為本課題衣柜提供了一個強大的科技平臺。本系統依托阿里云平臺，將STM32F103ZET6模塊與WIFI模塊相連接，手機APP界面如圖3所示，能夠實現遠程控制和溫濕度監測功能。在阿里云平臺的模式下，使用WIFI模塊，用戶可以在全球任何一個位置監測衣柜內部溫濕度情況，使用戶可以遠程控制衣柜。

圖3 手機APP

4 衣柜系統聯合調試

設計任何一個系統設備最終目的還是其應用性和實用性。因此在衣柜的方案設計、系統的硬件設計、系統的軟件設計全部實現之后，還需要對整個系統各個模塊的功能進行測試、檢驗，以達到預期功能和要求。在硬件的搭建過程中，最基本的還是要看機械機構是否牢固穩定，電子線路是否準確可靠。在組裝同步皮帶的過程中，由于尺寸材料結構等方面的原因，調試了很久才搭建完成。在編寫程序的過程中，經常出現程序錯誤，經過反復比較和檢查，發現了很多問題。比如要注意單片機的端口定義是否正確，要選擇正確的單片機型號，編寫程序的時候，電腦是否處于英文狀態下，等等。最關鍵的一件事就是要仔細認真，上百幾千條語句，稍微有個錯誤就可能導致整個系統無法實現功能。在本次項目設計中，出現了很多問題，不過通過對軟硬件的檢查和測試，最終實現了各項功能指標。系統硬件實物圖如圖4所示。

圖4 衣柜實物圖

5 結束語

綜上所述，本文從意義價值、硬件設計、軟件設計等方面描述了一個以STM32F103ZET6單片機作為控制核心，以阿里云系統為平臺的物聯網多功能衣柜。整個系統結構緊湊，使用方便易懂，性能穩定，實現了衣柜的自動控制過程，具有很好的現實應用意義。并且能夠將強弱電知識很好地進行結合。在智能化家居大力普及的今天，希望本設計能給智能衣柜的發展提供一些參考意義。