基于艾什頓物聯云平臺的智能衣柜系統設計

基金項目：教育部高等教育司產學合作協同育人項目；項目編號：202101186024。中飛院新建本科專業標準及實驗教學平臺建設項目；項目編號：MHJY2023027。中飛院校級科研項目；項目編號：J2022-042，PHD2023-027。

作者簡介：魏哲（1979— ），男，教授，博士；研究方向：物聯網技術與應用。

*通信作者：周展鵬（1999— ），男，碩士研究生；研究方向：物聯網技術與應用。

摘要：文章旨在設計一個基于艾什頓物聯平臺的智能衣柜仿真系統。該系統以STM32F103為系統核心，設計了智能溫濕度算法，包含祛濕加熱模塊、降溫模塊、自動照明模塊，并結合用戶需求，實現了衣物狀態監測、智能控溫功能。一系列實驗和系統測試驗證了該系統的可行性和有效性。實驗結果表明，該智能衣柜系統能夠準確地監測衣物的狀態，如濕度、溫度。相比傳統衣柜，該系統能夠提高衣物管理的便利性和效率，提升用戶的滿意度?；诎差D物聯平臺的智能衣柜系統在實現智能化管理、提高用戶體驗方面具有良好的潛力。該系統為智能衣柜領域的發展提供了有益的參考，同時為用戶提供了便捷、智能的衣物管理解決方案。

關鍵詞：智能衣柜；艾什頓物聯平臺；狀態監測；衣物管理

中圖分類號：TN98" 文獻標志碼：A

0" 引言

智能家居作為當前備受矚目的研究領域之一，已經獲得了廣泛的應用和投資。在各種智能家居產品中，與物聯網技術相結合的智能衣柜擁有巨大的市場潛力。艾什頓物聯網平臺提供設備管理、數據分析、可視化等功能，是一個智能和可擴展的云平臺，為設計和開發智能衣柜系統提供了一個有利的環境。本文設計了一個基于艾什頓物聯網平臺的智能衣柜系統，通過實現智能服裝管理和相關功能，提高用戶的生活質量和便利性，達到創建智能家居的目的。同傳統的智能衣柜相比，本文所使用的艾什頓物聯網平臺具有高度的可擴展性和智能性，可以輕松地與其他智能家居設備整合。此外，本文還設計了智能控溫算法、智能照明算法、降溫模塊和祛濕加熱模塊，進一步提高了智能衣柜［1-5］的價值。

1" 系統模塊設計

1.1" 自動溫濕度控制模塊設計

1.1.1" 智能溫濕度算法設計

《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2022）是中國國家標準，為不同類型的室內環境（包括家庭、辦公室和公共場所）的室內空氣質量提供指導，如表1所示。

表1" 室內溫濕度指標

指標要求備注

溫度/℃22～28夏季

16～24冬季

相對濕度/％40～80夏季

30～60冬季

室內環境的理想溫度范圍被建議為16～28℃，而理想濕度范圍被建議為30%～80%。

為了滿足上述標準，本文所設計的衣柜系統集成了一個溫濕度傳感器。已知衣物在溫度16～28℃和相對濕度為40%～65%時，是最理想的存儲環境。衣物長期處于超出65%的環境中，容易發霉。本文設計了一個控制算法，該算法如圖1所示。

1.1.2" 降溫模塊

降溫模塊采用TEC1-12703模塊。此模塊采用了帕爾貼原理，如圖2所示。

此電路由N型半導體和P型半導體構成。當電路通過直流電流時，N極的電流流到P極，形成了冷端，吸收了P極接頭的熱量達到了制冷的效果。此時，N極的接頭開始散發熱量，成了熱端。熱端需部署散熱片，以使熱端在安全溫度內。

半導體制冷的效果好壞由N、P型半導體的特性

和熱端的溫度有關。熱端的溫度越低，此時冷端的制冷效果越佳。利用此原理，本文將半導體制冷片熱端貼上帶有硅脂的散熱片，再在散熱片上固定風扇，強制對流傳熱。該原理將風扇作為動力源，通過對流換熱的過程，將散熱元件的熱量傳遞給流經其表面的空氣。

由于熱量的傳遞是通過對流傳熱和傳導傳熱的綜合效應實現的，散熱器的設計需要優化散熱面積和氣流速度，以最大程度地增強傳熱效果。通過風扇引導空氣流經散熱器，空氣吸收散熱元件的熱量，形成熱空氣，然后將熱空氣排出系統外部，以保持散熱元件的溫度在可接受的范圍內。

基于以上原理，本文設計了一個降溫模塊，如圖3所示。

1.1.3" 祛濕加熱模塊

加熱模塊采用了正溫度系數熱敏材料（Positive Temperature Coefficient，PTC）。應用PTC發熱片實現衣柜祛濕加熱具有多方面的優勢。首先，PTC發熱片具備自動調溫功能，可以自主調節溫度，從而有效防止過熱問題，提高使用的安全性。其次，PTC發熱片具有快速升溫和自動調溫的能力，能夠迅速將衣柜加熱至設定溫度，并智能地降低功率，以節省能源并提高能效。此外，PTC發熱片能夠均勻地加熱衣柜內部空間，確保濕度平衡分布，使得衣物在除濕過程中獲得均衡的效果。

PTC發熱片具有長壽命和高耐久性，能夠穩定可靠地工作，降低更換和維修的需求，延長使用壽命。另外，相較于傳統電熱器，PTC發熱片無噪聲和異味，不會影響使用者的舒適體驗，也不會使衣物產生異味。

可見，采用PTC發熱片實現衣柜祛濕加熱在安全性、能效優化、均勻加熱、長壽命、無噪聲和無異味等方面具有明顯的優勢?；谝陨蟽烖c，本文設計了一個祛濕加熱模塊，如圖4所示。

1.1.4" 溫濕度測量模塊

為了實現溫濕度［6］的測量，本文采用了DHT11數字溫濕度傳感器模塊。DHT11是一款數字溫濕度傳感器，具有校準系數和數字信號輸出功能，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證了可靠性和長期穩定性。該傳感器內部包含1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件。DHT11傳感器經過實驗室校準，并將校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中。傳感器在處理信號時使用這些校準系數，通過單線制串行接口進行簡易快捷的系統集成。此外，DHT11具有超小的體積和極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上。DHT11溫濕度傳感器與MCU的連接如圖5所示。

1.2" 數據上傳模塊設計

為了實現將采集到的數據上傳到云平臺上，本文采用了ESP8266Wi-Fi模塊，主要用于將硬件設備采集的信息與物聯網平臺實現雙向信息的傳輸，實現智能衣柜的互聯性。其中，衣柜的設計不僅要達到智能的要求，也要實現成本的優化。本系統的數據云傳輸功能采用樂鑫公司的ESP8266芯片。該芯片高度集成了無線模塊，具備完整的Wi-Fi網絡解決方案，支持IEEE 802.11標準，包括Wi-Fi Direct和Station模式，可用于AP模式、STA模式和AP+STA模式。該模塊內部電路如圖6所示。

在本文所設計的系統中，ESP8266被配置為STA模式，接入Wi-Fi網絡。為了實現本系統和艾什頓物聯平臺進行消息的通信，在本系統當中設置MQTT連接所需的參數，如服務器地址、端口、客戶端ID、用戶名和密碼，利用MQTT協議實現數據的上傳。ESP8266提供了可靠的數據傳輸和安全性保護機制，確保數據的安全性和完整性。通過與艾什頓物聯平臺的云端互聯，ESP8266能夠實現數據的雙向傳輸和遠程控制。ESP8266可以收集傳感器數據或設備狀態，并將其上傳到云端服務器，同時從云端獲取控制指令，實現遠程監控和控制。這樣，用戶可以通過云端平臺實時獲取和管理系統數據，實現智能化的遠程監測和控制。本文采用ESP8266Wi-Fi模塊是數據上傳到云平臺的最好解決方案。

1.3" 自動照明模塊

自動照明模塊［7］處于工作模式主要是讀取室內環境光強度并以是否有人使用為依據。當檢測到有人時，該模塊將根據室內環境光的強度來控制燈光的照明強度，并在人離開一段時間后，關閉燈光。此模塊中環境光感知使用TEMT6000傳感器。該傳感器采用高靈敏度的可見光光敏（NPN型）三極管構造，能夠探測微小的光線變化，并通過約100倍的放大進行模擬-數字轉換以獲取電壓信號。當光照射到TEMT6000上時，光敏電阻器件內部的電阻值會隨之改變，進而導致通過收集器引腳流過的電流發生變

化。光照越強，光敏電阻的電阻值越低，從而導致通過收集器引腳的電流增加；光照越弱，光敏電阻的電阻值越高，從而導致通過收集器引腳的電流減小。TEMT6000傳感器的反應特性類似于人眼對光照強度的感知，能夠模擬人類對環境光線強度的判斷。TEMT6000集電極光電流與光照度的關系如圖7所示。

此模塊利用熱釋電紅外線感測器來感知是否有人在感知范圍內，如果有人，再通過光敏傳感器來檢測當前亮度是否滿足照明要求，實現動態調節亮度的功能，以達到節能和給用戶良好體驗的目的。自動照明模塊運行流程如圖8所示。

在實際工作過程中，可能遇到當PWM［8］調光頻率較低時，人眼可能會感知到燈光的閃爍，感到不適或眼疲勞。較低的調光頻率可以導致明暗交替的可見效果，為了解決這個問題，本文采用增加PWM調光頻率［9］，使明暗變化更加平滑，減少閃爍的可見效果?？刂葡到y算法中符號包含：最佳適應性的光照強度Ref、當前環境光照強度L（t）、增益系數Δd、占空比u（t）、誤差δ（t）、誤差接受范圍Th和采樣周期T，如表2所示。

較高的調光頻率能夠使人眼無法察覺到光的明暗變化。在光照條件下，人眼對于視覺感知具有最佳適應性的光照強度，設為常數Ref，將光照傳感器測量的目前環境光照水平設為L（t），實際誤差的計算基于一個特定的數學公式，該公式的具體形式是通過將常數Ref與相應的當前環境光照水平L（t）之間的差異進行計算而獲得的。這個公式如公式（1）可以表示為：

δ（t）=Ref-L（t）（1）

得到相應的誤差δ（t）后，使用優化算法來降低誤差讓LED燈達到最優照明狀態，當|δ（t）|gt;Th時，如公式（2）所示。

u（t）=u（t）+Δd*sign（δ（t））

δ（t）gt;0，sign（δ（t））=1

δ（t）=0，sign（δ（t））=0

δ（t）lt;0，sign（δ（t））=-1（2）

由公式（2）可知 LED燈的控制策略，其中，u（t）表示當前LED燈的亮度或照明狀態。當誤差|δ（t）|大于一個閾值Th時，LED燈的亮度將進行調整。調整量Δd乘以sign（δ（t）），|δ（t）|是一個優化算法的結果，它根據誤差的正負來調整LED燈的亮度。通過這樣的控制策略，LED燈的亮度將根據環境光照與人眼最佳適應光照之間的差異進行動態調整，以減小誤差并達到最優的照明狀態。

1.4" 系統硬件設計

1.4.1" 硬件平臺

該系統實現祛潮防霉、空氣溫濕度檢測、無損快速烘干和自動照明功能。衣柜控制終端通過傳感器監測溫濕度，并執行相應措施。狀態通過無線路由發送至艾什頓物聯平臺，連接衣柜和手機客戶端實現遠程監控。用戶可通過手機客戶端監測溫濕度、遠程控制功能，獲取運行狀態和報告。該架構設計提高了衣物保存質量和衛生程度，自動化溫濕度控制、防潮防霉、快速烘干和自動照明功能得以實現。系統硬件設計如圖9所示。

1.4.2" 降壓電路

為了讓元器件正常工作，需要將220 V的交流電降壓為12 V以及3.3 V，以確保系統硬件部分的正常工作。系統的降壓電路如圖10和圖11所示。

2" 艾什頓物聯平臺搭建

艾什頓物聯網平臺如圖12所示，提供全面的服務，包括設備訪問、管理、監控、操作、數據流和存儲。該平臺根據實例維度隔離數據，并允許靈活升級，以滿足特定的業務需求，具有無與倫比的可用性、并發性和成本性能，從而成為企業級云設備的首要選擇。本項目設計中，在艾什頓物聯網平臺中創建一個新的產品，取名Smart_wardrobes。此項目的消息協議采用MQTT協議，用于接收來自硬件設備傳輸來的消息，以便于隨時更新此項目中的各項指標。產品中還需要創建新的設備，并取名為智能衣柜終端，下一步則創建相應的物模型，需要對屬性進行定義，分別有屬性標識、屬性名稱、數據類型和是否只讀，對于此項目的功能模塊，需要定義LED補光燈、風扇、光敏傳感器和加熱元件的屬性，都將其值取為布爾值，再將空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器模塊的屬性設置為雙精度浮點數。由此，基于艾什頓物聯平臺的物模型搭建完成。

3" 系統測試

本文的系統測試階段基于成功搭建的物聯網平臺。該平臺能夠實時收集和處理各種傳感器數據。本文介紹了物聯網平臺的架構和實施細節，并展示了通過該平臺創建的數據集。該物聯網平臺由多個傳感器節點、邊緣設備和云端服務器組成。傳感器節點

負責采集環境、設備和用戶數據，通過邊緣設備將數據傳輸到云端服務器進行存儲和分析。通過精心設計的通信協議和數據處理流程，該平臺能夠實現高效、可靠的數據采集和實時處理。這些數據包括環境監測數據、設備運行狀態數據等。這些數據通過在系統測試階段中的應用，能夠評估本文所提出方法在真實場景中的性能和可行性，并驗證其在物聯網環境中的適用性。系統采集到的實際數據如圖13所示，系統所采集到的濕度數據如圖14所示，現場測試衣柜內濕度變化趨勢如圖15所示，現場測試衣柜內溫度變化趨勢如圖16所示。

4" 結語

本文設計的智能衣柜結合了物聯網技術，將硬件和軟件相結合，制定智能衣柜的可行方案，再結合艾什頓物聯平臺的數據分析和設備管理功能，進行了硬件數據的仿真，將衣柜內溫濕度值和其他硬件設備的布爾值記錄在了云平臺上，實現了本文智能衣柜所設計的功能。在未來，課題組將增加手機互聯的功能，使用戶在手機上就可以隨時隨地監視衣柜狀態。

參考文獻

［1］賈源，呂坤，朱順，等.阿里物聯網平臺的智慧家居監測保護系統設計［J］.物聯網技術，2023（3）：54-56.

［2］潘澤鍇，陽瓊芳，李泰韜.基于物聯網技術的智能衣柜系統設計與實現［J］.國外電子測量技術，2022（5）：124-130.

［3］徐玉明，王烈.基于RFID技術的智能衣柜系統設計［J］.電子設計工程，2023（4）：72-76.

［4］王海珍，廉佐政，谷文成，等.基于ZigBee的智能家居系統安全通信研究［J］.電子測量技術，2021（18）：78-84.

［5］辛悅，顧斌杰，馮偉，等.基于STM32的智能衣柜［J］.電子制作，2020（9）：21-23，41.

［6］劉艷偉，李思雯，楊啟良，等.基于UWB定位的智能溫室三維溫濕度檢測系統設計［J］.農業機械學報，2023（9）：414-422.

［7］李淵，李寶營，穆艷.LED可調光自動控制系統設計［J］.液晶與顯示，2011（1）：96-99.

［8］晏思俊.基于物聯網的智能鞋柜系統設計［J］.鞋類工藝與設計，2021（10）：17-19.

［9］楊恒敏.LED照明調光技術和芯片驅動技術研究［J］.光源與照明，2023（4）：18-20.

（編輯" 王雪芬）

Design of smart closet system based on Ashton IoT cloud platform

WEI" Zhe， ZHOU" Zhanpeng*， ZHANG" Huan

（School of Computer Science， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract：" This paper aims to design an intelligent wardrobe simulation system based on the Ashton IoT platform. The system takes STM32F103 as the core of the system， and designs intelligent temperature and humidity algorithm， dehumidification heating module， cooling module and automatic lighting module. Combined with user requirements， the functions of clothing condition monitoring and intelligent temperature control are realized. Through a series of experiments and system tests， the feasibility and effectiveness of the system are verified. The experimental results show that the intelligent wardrobe system can accurately monitor the state of clothing， such as humidity and temperature. Compared with the traditional wardrobe， the system can improve the convenience and efficiency of clothing management， and enhance user satisfaction. The intelligent wardrobe system based on the Ashton IoT platform has good potential in realizing intelligent management and improving user experience. This study provides a useful reference for the development of the intelligent wardrobe field， and provides users with convenient and intelligent clothing management solutions.

Key words： smart wardrobe; Ashton IoT platform; status monitoring; clothes management