一種多傳感智能控制戶外晾衣架的研究

宋云，鄒成陽，查昶靖，方開耀

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001)

1 引言

隨著近些年科技的發展，智能家居早已步入人們的生活，進而提高了人們的生活質量。在組成智能家居的眾多智能家具中，智能衣架占有重要的地位，智能衣架使用的高效、便利與否，與人們享受生活的質量有著重要的關聯。

而在現在的農村地區，現有的戶外晾曬衣架一般都是由尼龍繩和鋼管組成，還有一些是簡陋的折疊支架式的晾衣架，在人們外出工作遇到降雨天氣無法及時趕回時，晾曬的衣物就會再次變得潮濕，在給人們的生活帶來不便的同時降低衣物的壽命和加大人們的工作量。

針對目前常用晾衣架的現狀，本文設計了一種多傳感智能控制戶外晾衣架，以STM32F4為控制中心，以傳感器和通信模塊為框架，集天氣情況監測、溫濕度檢測、自動追隨陽光、自動防雨為一體的智能晾衣架結構。本晾衣架可以在雨天和潮濕天氣自動保護衣物，在感應到陽光時可以自動晾曬衣物，還可以轉動晾衣架使之隨著太陽的移動而轉動，使得衣物可以得到最多的光照，加快衣物的晾曬速度，節省時間，達到方便戶外晾曬衣物人群的目的。

2 機械結構設計

機械結構主要指的是晾衣架的機械傳動裝置，主體結構如圖1 所示，主要由支架部分、圓環軌道部分和支撐桿三部分組成。當單片機接收到相應的指令的時候，會將相應的信號傳送給對應的電機，電機的轉動帶動相應的機械結構的轉動，實現保護衣物和跟隨陽光轉動的目的。

圖1 主體結構

支桿一端連接晾衣竿，一端連接圓筒，圓筒中有圓形通道，防雨材料放在圓形通道中并與上部電機連接。支桿固定在外擋板內側，外擋板通過連接孔與齒輪連接，下部電機固定在外擋板外側，其轉軸穿過外擋板的連接孔固定在齒輪的內徑中，齒輪在圓環軌道盤的軌道中，圓環軌道盤通過連接孔與支撐桿連接。其中，圓筒上有小圓柱和傾斜圓柱，小圓柱與防雨材料通過圓筒兩側的孔相連，圓筒兩側的孔在小圓柱與圓筒重疊的部分，傾斜圓柱在小圓柱的下方。同時，上部電機控制防雨材料的收放，下部電機控制支架在圓環軌道中的轉動。

3 控制系統硬件設計

3.1 總體設計

本系統由雨水傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、光照強度傳感器模塊、電機驅動模塊組成外圍電路、控制核心選用STM32F4最小系統板，因此由外圍電路和控制核心組成的控制系統框圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

3.2 最小系統板模塊電路

本系統選用STM32F4 最小系統板作為總控制中心，由于STM32F4集成了新的DSP和FPU指令，因此STM32F4芯片具有高速的算法執行速度和代碼效率，符合系統的要求。其中STM32F4最小系統板由供電電路、復位電路、時鐘電路、下載電路和后備電池組成。

其中復位電路作為單片機系統的一種保護電路，它的作用是使最小系統板在獲得供電的瞬間,由初始狀態開始工作，本最小系統的復位電路為按鍵復位；可以為系統提供基本時鐘信號的晶振和可以起到維持晶振工作在正常頻率的電容共同組成時鐘電路，進而達到使各部分工作保持同步的目的；SWD下載電路作為本最小系統板的下載電路。

3.3 雨水傳感器模塊電路

為了檢測是否有雨水滴落，同時為了提高雨水傳感器的使用壽命，本文選擇采用鍍鎳處理表面的雨水傳感器，達到抗氧化和提高使用壽命的目的。同時采用LM393 比較器的雨水傳感器具有輸出信號干凈、波形好、驅動能力強的特點，符合系統的要求。

在使用時，先通5V 電源，此時電源指示燈亮；當感應板上沒有水滴時，DO 輸出為高電平，開關指示燈滅；當感應板上有水滴時，DO 輸出為低電平，開關指示燈亮，通過檢測與DO相連的單片機引腳電平的高低，判斷是否有雨水的落下。其中，單片機的模數轉換口AD可以通過連接雨水傳感器模塊的模擬輸出口AO，以此來檢測雨量大小，進而判斷是否放出防雨柔性材料。該雨水傳感器模塊的引腳參數如表1所示，電路原理圖如圖3所示。

表1 雨水傳感器模塊引腳參數

圖3 雨水傳感器模塊電路原理圖

3.4 溫濕度傳感器模塊電路

為了得到準確的數據，因此需要溫濕度傳感器具有超快響應、抗干擾能力強的特點，通過多方對比，本文決定采用含有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[1]的DHT11數字溫濕度傳感器。通過測試，該傳感器符合系統要求，同時該產品還具有品質卓越、性價比極高等優點。

使用DHT11 數字溫濕度傳感器時，在通電后要等待1s 時間，目的是越過不穩定狀態，同時在等待期間無須發送任何指令[2]。該溫濕度傳感器通過單總線DATA 與單片機連接，當單片機發送開始信號后,溫濕度傳感器從低功耗模式轉換到高速模式,等主機發送的開始信號結束后,溫濕度傳感器發送響應信號,同時送出40bit 的數據和觸發一次信號采集[3]。如果沒有接收到主機發送的開始信號,則該傳感器不會主動進行溫濕度采集,并且傳感器在采集到數據后會轉換到低速模式[4]。由于引腳的接線小于20m，因此在DATA引腳接一個4.7千歐的上拉電阻即可[5]。該溫濕度傳感器的技術參數如表2 所示，模塊的引腳參數如表3所示，電路原理圖如圖4所示。

表2 溫濕度傳感器技術參數

表3 溫濕度傳感器模塊引腳參數

圖4 溫濕度傳感器模塊電路原理圖

3.5 光照強度傳感器模塊電路

為了減小對光源的依賴性和達到光照強度檢測的目的，本文選擇了GY-302 光照強度檢測模塊，該模塊具有工作溫度范圍大，無須外部零件，對光源依賴性不大等優點。

由于傳感器模塊內部包含通信電平轉換電路，因此可以將傳感器模塊直接與單片機I/O 口相連接，通過代碼先和單片機之間進行應答信號的收發，然后進行數據的傳送，最后利用連續從光照強度模塊中讀出的數據合成實際的光照強度。該光照強度傳感器的技術參數如表4 所示，模塊的引腳參數如表5所示，模塊電路原理圖如圖5所示。

表4 光照強度傳感器技術參數

表5 光照強度傳感器模塊引腳參數

圖5 光照強度模塊電路原理圖

3.6 電機驅動模塊電路

考慮到單片機的輸出電壓在5V 左右，而且需要電機的正反轉功能和同時驅動兩臺直流電機，因此在對比之后選擇L298N電機驅動模塊，除此之外，該模塊還具有啟動性能好，便于操作的優點。

在使用時，從單片機I/O 口給模塊輸入端送入不同的高低電平可以實現控制電機正反轉的目的，其中D1-D8為續流二極管，M1和M2為電機接口。對電機進行調速時，可以通過PWM控制端改變高電平的占空比來實現，即在正常工作時用跳線帽直接連接VCC，在調速時，取下PWM上的跳線帽進行調速。該電機驅動模塊技術參數如表6所示，模塊引腳參數如表7所示，模塊電路原理圖如圖6所示。

表6 L298N模塊技術參數

表7 L298N模塊引腳參數

圖6 電機驅動模塊電路原理圖

4 控制系統軟件設計

本文的系統程序主要由STM32 的庫函數和相應的C 語言組成，運用if和while等進行條件的判斷，用for語句進行循環數據的處理。同時為了便于調試和修改錯誤，進而采用模塊化程序設計的思想，即先設計出主程序，然后設計出對應模塊的子程序，最后利用主程序來調用子程序，以實現整個系統的編程控制。

4.1 系統主程序設計

系統程序的執行從主程序開始，先對單片機進行初始化，然后智能晾衣架外圍的雨水傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器開始工作，對應的傳感器將測得的對應的環境數據傳回單片機，在單片機進行數據的處理并與對應的預設值進行比較，最后單片機將處理結果轉化為數字信號傳送給電機驅動模塊，驅動相應的電機進行轉動，實現智能晾衣架的功能。系統主程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 系統主程序設計流程圖

5 智能晾衣架運作方式

由于智能晾衣架的外圍安裝有多種傳感器，因此當雨水傳感器檢測到雨水或者溫濕度傳感器檢測到環境中的濕度高于預設值時，單片機控制上部電機轉動，放出防雨材料，達到保護衣物不被雨水淋濕的目的。當雨水傳感器沒有檢測到雨水和溫濕度傳感器檢測到環境中的濕度低于預設值時，單片機控制上部電機反轉，收回防雨材料，進行衣物的晾曬。當光照強度傳感器檢測到晾衣架正面的光照強度小于兩側的光照強度時，單片機控制下部電機轉動，電機帶動齒輪在軌道中轉動，直到光照強度傳感器檢測到晾衣架正面的光照強度大于兩側的光照強度時，下部電機停止轉動，達到快速晾曬衣物的目的。

6 結束語

本文針對現有戶外晾衣架的不足之處，設計了以STM32F4為控制核心的智能戶外晾衣架，同時配合外圍的雨水傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，光照強度傳感器模塊和電機驅動模塊，實現了雨天保護衣物，非雨天跟隨陽光轉動快速晾曬衣物的目的，具有一定的實用性和可靠性，方便了戶外晾曬衣物的人群，具有一定的推廣價值。同時本設計缺少一定的靈活性，還具有改進的空間。