一种多传感智能控制户外晾衣架的研究

宋云，邹成阳，查昶靖，方开耀

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001)

1 引言

随着近些年科技的发展，智能家居早已步入人们的生活，进而提高了人们的生活质量。在组成智能家居的众多智能家具中，智能衣架占有重要的地位，智能衣架使用的高效、便利与否，与人们享受生活的质量有着重要的关联。

而在现在的农村地区，现有的户外晾晒衣架一般都是由尼龙绳和钢管组成，还有一些是简陋的折叠支架式的晾衣架，在人们外出工作遇到降雨天气无法及时赶回时，晾晒的衣物就会再次变得潮湿，在给人们的生活带来不便的同时降低衣物的寿命和加大人们的工作量。

针对目前常用晾衣架的现状，本文设计了一种多传感智能控制户外晾衣架，以STM32F4为控制中心，以传感器和通信模块为框架，集天气情况监测、温湿度检测、自动追随阳光、自动防雨为一体的智能晾衣架结构。本晾衣架可以在雨天和潮湿天气自动保护衣物，在感应到阳光时可以自动晾晒衣物，还可以转动晾衣架使之随着太阳的移动而转动，使得衣物可以得到最多的光照，加快衣物的晾晒速度，节省时间，达到方便户外晾晒衣物人群的目的。

2 机械结构设计

机械结构主要指的是晾衣架的机械传动装置，主体结构如图1 所示，主要由支架部分、圆环轨道部分和支撑杆三部分组成。当单片机接收到相应的指令的时候，会将相应的信号传送给对应的电机，电机的转动带动相应的机械结构的转动，实现保护衣物和跟随阳光转动的目的。

图1 主体结构

支杆一端连接晾衣竿，一端连接圆筒，圆筒中有圆形通道，防雨材料放在圆形通道中并与上部电机连接。支杆固定在外挡板内侧，外挡板通过连接孔与齿轮连接，下部电机固定在外挡板外侧，其转轴穿过外挡板的连接孔固定在齿轮的内径中，齿轮在圆环轨道盘的轨道中，圆环轨道盘通过连接孔与支撑杆连接。其中，圆筒上有小圆柱和倾斜圆柱，小圆柱与防雨材料通过圆筒两侧的孔相连，圆筒两侧的孔在小圆柱与圆筒重叠的部分，倾斜圆柱在小圆柱的下方。同时，上部电机控制防雨材料的收放，下部电机控制支架在圆环轨道中的转动。

3 控制系统硬件设计

3.1 总体设计

本系统由雨水传感器模块、温湿度传感器模块、光照强度传感器模块、电机驱动模块组成外围电路、控制核心选用STM32F4最小系统板，因此由外围电路和控制核心组成的控制系统框图如图2所示。

图2 控制系统框图

3.2 最小系统板模块电路

本系统选用STM32F4 最小系统板作为总控制中心，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执行速度和代码效率，符合系统的要求。其中STM32F4最小系统板由供电电路、复位电路、时钟电路、下载电路和后备电池组成。

其中复位电路作为单片机系统的一种保护电路，它的作用是使最小系统板在获得供电的瞬间,由初始状态开始工作，本最小系统的复位电路为按键复位；可以为系统提供基本时钟信号的晶振和可以起到维持晶振工作在正常频率的电容共同组成时钟电路，进而达到使各部分工作保持同步的目的；SWD下载电路作为本最小系统板的下载电路。

3.3 雨水传感器模块电路

为了检测是否有雨水滴落，同时为了提高雨水传感器的使用寿命，本文选择采用镀镍处理表面的雨水传感器，达到抗氧化和提高使用寿命的目的。同时采用LM393 比较器的雨水传感器具有输出信号干净、波形好、驱动能力强的特点，符合系统的要求。

在使用时，先通5V 电源，此时电源指示灯亮；当感应板上没有水滴时，DO 输出为高电平，开关指示灯灭；当感应板上有水滴时，DO 输出为低电平，开关指示灯亮，通过检测与DO相连的单片机引脚电平的高低，判断是否有雨水的落下。其中，单片机的模数转换口AD可以通过连接雨水传感器模块的模拟输出口AO，以此来检测雨量大小，进而判断是否放出防雨柔性材料。该雨水传感器模块的引脚参数如表1所示，电路原理图如图3所示。

表1 雨水传感器模块引脚参数

图3 雨水传感器模块电路原理图

3.4 温湿度传感器模块电路

为了得到准确的数据，因此需要温湿度传感器具有超快响应、抗干扰能力强的特点，通过多方对比，本文决定采用含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[1]的DHT11数字温湿度传感器。通过测试，该传感器符合系统要求，同时该产品还具有品质卓越、性价比极高等优点。

使用DHT11 数字温湿度传感器时，在通电后要等待1s 时间，目的是越过不稳定状态，同时在等待期间无须发送任何指令[2]。该温湿度传感器通过单总线DATA 与单片机连接，当单片机发送开始信号后,温湿度传感器从低功耗模式转换到高速模式,等主机发送的开始信号结束后,温湿度传感器发送响应信号,同时送出40bit 的数据和触发一次信号采集[3]。如果没有接收到主机发送的开始信号,则该传感器不会主动进行温湿度采集,并且传感器在采集到数据后会转换到低速模式[4]。由于引脚的接线小于20m，因此在DATA引脚接一个4.7千欧的上拉电阻即可[5]。该温湿度传感器的技术参数如表2 所示，模块的引脚参数如表3所示，电路原理图如图4所示。

表2 温湿度传感器技术参数

表3 温湿度传感器模块引脚参数

图4 温湿度传感器模块电路原理图

3.5 光照强度传感器模块电路

为了减小对光源的依赖性和达到光照强度检测的目的，本文选择了GY-302 光照强度检测模块，该模块具有工作温度范围大，无须外部零件，对光源依赖性不大等优点。

由于传感器模块内部包含通信电平转换电路，因此可以将传感器模块直接与单片机I/O 口相连接，通过代码先和单片机之间进行应答信号的收发，然后进行数据的传送，最后利用连续从光照强度模块中读出的数据合成实际的光照强度。该光照强度传感器的技术参数如表4 所示，模块的引脚参数如表5所示，模块电路原理图如图5所示。

表4 光照强度传感器技术参数

表5 光照强度传感器模块引脚参数

图5 光照强度模块电路原理图

3.6 电机驱动模块电路

考虑到单片机的输出电压在5V 左右，而且需要电机的正反转功能和同时驱动两台直流电机，因此在对比之后选择L298N电机驱动模块，除此之外，该模块还具有启动性能好，便于操作的优点。

在使用时，从单片机I/O 口给模块输入端送入不同的高低电平可以实现控制电机正反转的目的，其中D1-D8为续流二极管，M1和M2为电机接口。对电机进行调速时，可以通过PWM控制端改变高电平的占空比来实现，即在正常工作时用跳线帽直接连接VCC，在调速时，取下PWM上的跳线帽进行调速。该电机驱动模块技术参数如表6所示，模块引脚参数如表7所示，模块电路原理图如图6所示。

表6 L298N模块技术参数

表7 L298N模块引脚参数

图6 电机驱动模块电路原理图

4 控制系统软件设计

本文的系统程序主要由STM32 的库函数和相应的C 语言组成，运用if和while等进行条件的判断，用for语句进行循环数据的处理。同时为了便于调试和修改错误，进而采用模块化程序设计的思想，即先设计出主程序，然后设计出对应模块的子程序，最后利用主程序来调用子程序，以实现整个系统的编程控制。

4.1 系统主程序设计

系统程序的执行从主程序开始，先对单片机进行初始化，然后智能晾衣架外围的雨水传感器、温湿度传感器、光照强度传感器开始工作，对应的传感器将测得的对应的环境数据传回单片机，在单片机进行数据的处理并与对应的预设值进行比较，最后单片机将处理结果转化为数字信号传送给电机驱动模块，驱动相应的电机进行转动，实现智能晾衣架的功能。系统主程序设计流程图如图7所示。

图7 系统主程序设计流程图

5 智能晾衣架运作方式

由于智能晾衣架的外围安装有多种传感器，因此当雨水传感器检测到雨水或者温湿度传感器检测到环境中的湿度高于预设值时，单片机控制上部电机转动，放出防雨材料，达到保护衣物不被雨水淋湿的目的。当雨水传感器没有检测到雨水和温湿度传感器检测到环境中的湿度低于预设值时，单片机控制上部电机反转，收回防雨材料，进行衣物的晾晒。当光照强度传感器检测到晾衣架正面的光照强度小于两侧的光照强度时，单片机控制下部电机转动，电机带动齿轮在轨道中转动，直到光照强度传感器检测到晾衣架正面的光照强度大于两侧的光照强度时，下部电机停止转动，达到快速晾晒衣物的目的。

6 结束语

本文针对现有户外晾衣架的不足之处，设计了以STM32F4为控制核心的智能户外晾衣架，同时配合外围的雨水传感器模块，温湿度传感器模块，光照强度传感器模块和电机驱动模块，实现了雨天保护衣物，非雨天跟随阳光转动快速晾晒衣物的目的，具有一定的实用性和可靠性，方便了户外晾晒衣物的人群，具有一定的推广价值。同时本设计缺少一定的灵活性，还具有改进的空间。