基于物联网云平台的多功能智能晾衣架

杨卓凡，李林，白雪

（大连理工大学城市学院 电子与自动化分院，辽宁大连，116600）

随着科技的发展和人们生活水平的提高，越来越多的家庭开始使用智能家居设备。目前人们所使用的晾衣架多为传统类型，不能随外界环境温湿度的变化而自动收缩。当家里无人天气下雨时，衣物会被淋湿，用户需要对淋湿的衣物重新清理，给用户带来困扰。夏日的正午，阳光充足，温度较高，暴晒对衣物损伤较大，应当避免衣物暴晒。如果衣物晾晒不充分，容易滋生细菌，不利于健康。为了提高用户的生活质量，节约时间，本文设计了一款能够自动伸缩的智能晾衣架。智能伸缩晾衣架作为一种实用性强、节约空间和时间成本、减少环境污染的新型产品，在市场上受到了广泛关注。

在此背景下，本论文旨在探讨如何利用物联网云平台技术打造高效便捷、安全可靠的智能家居产品，并对该系统进行详细介绍和性能评估。希望本论文对相关领域研究人员以及广大用户有所启示和参考价值。

1 系统的总体结构设计

本文以STM32F103 芯片作为主控芯片，使用DHT11数字温度传感器、BH1750 光照强度传感器，对温湿度和光照强度进行采集，将采集到的数据通过ESP8266 WiFi 模块实时传输到阿里云物联网平台并自动控制晾衣架的伸缩。用户不仅可以通过云平台查看晾晒的环境数据，还可以通过手机APP 或者网页进行远程手动控制。

智能伸缩晾衣架的总体系统结构如图1 所示，系统包括感知层、控制层、网络层、应用层4 个部分。

图1 系统方案设计图

（1)感知层由DHT11 温湿度传感器和BH1750 光照强度传感器2 部分组成。由传感器对外界的温湿度和光照强度进行采集，并将数据传给单片机。

（2)控制层由STM32F103 单片机、OLED 液晶显示屏、舵机3 部分组成。单片机读取传感器的采集数据，对数据进行分析处理，通过OLED 显示屏进行数据显示，并控制舵机的转动，以达到控制晾衣架伸缩的作用。

（3)网络层由ESP8266 WiFi 通信模块和物联网云平台2 部分组成。在WiFi 模块正常配网之后，使用MQTT协议格式化数据并将其打包到一个云服务请求中，通过ESP8266 将数据发送至云平台上。

（4)应用层由手机端APP 和网页端监控大屏组成。用户可以用手机或电脑实时查看外界的环境数据，也可通过远程控制的方式来手动控制晾衣架的伸缩。

2 系统硬件设计

系统的硬件部分主要由STM32F103 单片机、DHT11温湿度传感器、BH1750 光照强度传感器、ESP8266 WiFi模块、OLED 液晶显示屏组成，系统硬件设计的总体框图如图2 所示。

图2 系统硬件设计的总体框图

■2.1 温湿度传感器模块

本产品采用DHT11 温湿度传感器来实时监测外界环境的温湿度。DHT11 是一种数字式温湿度传感器，广泛应用于测量环境温度和相对湿度。它具有低成本、易于使用、可靠性高等特点。DHT11 是单总线通信，一次完整的数据传输为40bit，分为5 个字节，其中前两个字节表示湿度，接下来的两个字节表示温度，最后一个字节是校验和。

■2.2 光照强度传感器模块

本产品采用BH1750 光照强度传感器对外界的光照强度进行监测，BH1750 是一种数字光照强度传感器。BH1750内部由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集电路等构成，通过内部的模拟-数字转换器（ADC)将接收到的光信号转换为数字信号，并将其输出，BH1750 的内部构成图如图3所示。该传感器采用了I2C 总线通信协议，具有高分辨率、低功耗、快速响应等优点，非常适合用于需要测量环境光强度的应用场景。

图3 BH1750 内部构成图

■2.3 ESP8266 WiFi 模块

本产品利用ESP8266 WiFi 模块实现智能晾衣架与云平台的通信。ESP8266 是一种低成本的WiFi 芯片，使用TCP/IP 通信协议，还可以作为TCP 客户端或TCP 服务器，或者通过UDP 协议发送或接收数据，在IoT 应用、智能家居、自动化系统和工业控制等领域都有广泛应用。本设计中ESP8266 WiFi 模块通过路由器连接互联网，即连接到阿里云物联网平台。利用STM32F103 单片机串口对ESP8266进行初始化配置之后，可以将温湿度和光照采集数据上传到阿里云平台之上，用户可以在网页上实时监控晾晒状态。ESP8266 WiFi模块的工作示意图如图4所示。

图4 ESP8266 模块的工作示意图

■2.4 SG90 舵机

SG90 舵机是一种位置（角度)伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机可以根据控制信号来输出指定的角度，常见的有0～90°、0～180°、0～360°。SG90 舵机采用PWM 调制，单片机产生一个周期为20ms 的方波信号，以0.5ms～2.5ms 的高电平来控制舵机的旋转。0.5ms～1.5ms 区间的高电平控制舵机正向旋转，1.5ms～2.5ms 的高电平控制舵机反向旋转，通过控制舵机的正反转来实现晾衣架的伸缩功能。脉冲高电平时间与舵机转动之间的关系如表1 所示。

3 系统软件设计

本产品软件设计主要包括DHT11 温湿度模块、BH1750 光照强度传感器模块、ESP8266 WiFi 模块、SG90舵机和OLED 显示屏的软件设计。系统上电之后，配置系统时钟，初始化串口和传感器，确认ESP8266 WiFi 模块是否配网成功，成功后进入主循环。进入主循环，接收各个传感器采集到的晾晒环境数据，并在OLED 显示屏上进行实时显示，通过舵机控制晾衣架的自动伸缩。同时将采集到的数据上传到云平台设备属性中，在云平台的网页端进行可视化显示与控制。本系统的软件设计流程图如图5 所示。

图5 软件设计流程图

4 云平台终端连接

本产品选用了阿里云物联网云平台，采用MQTT 协议与云平台进行连接。MQTT 协议是一个基于客户端－服务器的消息发布/订阅传输协议，具有轻量、简单、开放和易于实现等特点，适用范围广。

根据平台的要求注册并登录账号，创建相应的产品和设备之后，得到了设备的阿里云“三元组”（product Key，device Name，device Secret)。在软件中将“三元组”进行绑定即可实现数据在云平台的实时发布。利用阿里云平台搭建简易的WEB 端界面，并对每个图标、按键进行相应的数据流链接，用户便可利用网页上可视化的图表对外界晾衣环境有更清晰和直观的了解，也可利用按键主动控制晾衣架的伸缩，方便用户与系统进行交互。网页端数据监测如图6 所示。

图6 网页端数据监测

5 结论

该论文提出了一种基于物联网云平台的多功能智能晾衣架设计方案，介绍了硬件组成和软件流程图，并详细描述了各个模块的功能。

随着人工智能技术的不断发展和应用，未来的智能晾衣架将会更加具备自主学习、自适应和预测等功能。基于物联网云平台的智能晾衣架以及最佳温湿度控制使得节省时间与电力资源的同时也保护生态。具有非常广泛和深远的应用前景，并且将会持续创新与改进以满足消费者需求及提升用户体验。