基于阿里云的物聯(lián)網(wǎng)多功能衣柜

徐松華

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)在中國的飛速發(fā)展，智能家居行業(yè)于90年代中后期開始進(jìn)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(chǎn)開發(fā)商對于智能化家居控制系統(tǒng)的重視，智能家居在中國初露鋒芒，智能衣柜“首當(dāng)其沖”，智能衣柜也可以說是新時代家具行業(yè)的翹楚，是傳統(tǒng)家具在新時代的快速轉(zhuǎn)變，智能衣柜也慢慢地在衣柜市場上流行起來。

隨著國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國民生活品質(zhì)逐步提高，人們對于衣物的需求量也越來越大。據(jù)市場調(diào)查顯示，隨著家庭成員的增加，加之每年新買的衣服，傳統(tǒng)衣柜已越來越不堪重負(fù)。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(jù)生活經(jīng)驗，平均每疊30件衣服大概需要10~15 min，人們?yōu)榱颂暨x在工作、運(yùn)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(fèi)大量時間穿梭在各個衣櫥間。“找衣難、選衣難”已經(jīng)成為了一個非常普遍及現(xiàn)實的問題。另外，平時人們忙于工作生活，基本不會經(jīng)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(fā)出霉味。尤其在長江中下游地區(qū)，每年6、7月份都會出現(xiàn)持續(xù)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?nèi)找嬖鲩L地對美好衣柜的追求和傳統(tǒng)衣柜之間已經(jīng)出現(xiàn)了矛盾。

基于此現(xiàn)象，本課題研究設(shè)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(yīng)人們?nèi)找婕涌斓纳罟?jié)奏，滿足人們對高質(zhì)量生活水平的追求。

1 衣柜設(shè)計步驟

本課題智能衣柜的設(shè)計過程主要包括前期市場調(diào)研、硬件設(shè)計、軟件程序編寫及整機(jī)調(diào)試。在前期的市場調(diào)研中，通過網(wǎng)上查閱相關(guān)資料、問卷調(diào)查、到大型家居公司考察調(diào)研等方式，了解目前智能衣柜市場的現(xiàn)狀，熟知不同用戶對于智能衣柜功能的需求以及傳統(tǒng)衣柜存在的不足。在硬件設(shè)計階段，首先通過CAD畫出衣柜整體構(gòu)架以及各個零部件的具體位置，然后對各個配件進(jìn)行選型，包括規(guī)格尺寸、材料類型、材料強(qiáng)度等。在程序編寫階段，需要根據(jù)衣柜的各種功能編寫相應(yīng)的C語言程序，控制相關(guān)繼電器來控制各項功能的實現(xiàn)。最后是設(shè)備整體調(diào)試，這個階段也是項目進(jìn)行的最后階段，要通過反復(fù)的試驗和調(diào)整來實現(xiàn)預(yù)期的功能目標(biāo)。

2 衣柜硬件結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計是項目的基礎(chǔ)，本衣柜采用智能系統(tǒng)控制機(jī)械運(yùn)動，完成人們需要的動作，幫助人們?nèi)粘＿x擇、整理、存放衣物。裝置采用人性化的設(shè)計思路，使用人機(jī)交互系統(tǒng)，在幫助人們節(jié)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(jié)構(gòu)采用亞克力板制作，在立體空間內(nèi)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(jié)構(gòu)由以下4部分組成。

圖1 衣柜機(jī)械結(jié)構(gòu)總裝配圖

2.1 可翻轉(zhuǎn)式帽柜

可翻轉(zhuǎn)式帽柜設(shè)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(jī)交互系統(tǒng)界面上選定相應(yīng)的目標(biāo)后，單片機(jī)通過預(yù)設(shè)指令控制帽柜下部氣泵工作，氣泵帶動機(jī)械連桿將柜體向上翻轉(zhuǎn)，帽柜表面設(shè)置有掛鉤，當(dāng)柜體翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

自動取衣結(jié)構(gòu)位置設(shè)計在衣柜中部，承擔(dān)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(dāng)需要穿著時，通過觸摸屏選取對應(yīng)的衣物，系統(tǒng)通過指令將衣物呈現(xiàn)在用戶面前。自動取衣結(jié)構(gòu)主要由封閉式環(huán)形導(dǎo)軌、同步帶、電動機(jī)、軌道掛鉤等組成。雙導(dǎo)軌同步連動式結(jié)構(gòu)均分布在導(dǎo)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(tǒng)），程序?qū)⑺鼈儼葱蛱柵帕?，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(jù)排列的順序，在STM32F103ZET6主板上輸入C語言程序），當(dāng)用戶根據(jù)衣物圖片選擇需要的衣服后，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)根據(jù)算法選擇最近的路程，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)通過齒輪帶動皮帶運(yùn)動，轉(zhuǎn)動的過程中STM32F103 ZET6控制系統(tǒng)就會計算運(yùn)行的時間和路程，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)輸出信號指令，當(dāng)信號達(dá)到所需要的值，正好與選擇的衣服信號匹配時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，對應(yīng)掛鉤上的衣物到達(dá)取衣口，把用戶選中的衣物呈現(xiàn)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(shè)計在衣柜的下端，承擔(dān)放置鞋子和襪子的作用。智能彈出式柜子主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)為三節(jié)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(dāng)需要穿戴時，只需要通過觸摸屏進(jìn)行選取，當(dāng)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(yùn)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(tǒng)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(fā)霉是傳統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)APP遠(yuǎn)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(xì)菌及微生物進(jìn)行持續(xù)性照射，破壞其體內(nèi)的器官結(jié)構(gòu)，起到安全穿衣的作用。紫外線燈的存在，將有效抑制細(xì)菌的生存。除濕裝置由濕度傳感器以及加熱器件組成，當(dāng)濕度達(dá)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(shè)置，當(dāng)按下加熱按鈕時，STM32F103ZET6控制系統(tǒng)給出信號，此時與STM32F103ZET6控制系統(tǒng)連接的繼電器，控制加熱功能的繼電器開關(guān)閉合，系統(tǒng)開始加熱（手動加熱需要自己關(guān)閉，定時加熱會自動關(guān)閉）。

3 衣柜控制系統(tǒng)

軟件程序設(shè)計是衣柜的核心組成部分，是系統(tǒng)設(shè)計的重要控制依據(jù)。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(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交流。系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

圖2 衣柜系統(tǒng)控制圖

衣柜的控制系統(tǒng)由上位機(jī)（APP）和下位機(jī)（衣柜）兩部分組成，兩者通過MQTT協(xié)議在阿里云平臺進(jìn)行通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測功能[1]。

上位機(jī)APP基于App inventor進(jìn)行開發(fā)，可接收下位機(jī)的信息和向下位機(jī)發(fā)送信息。下位機(jī)由5大模塊組成，分別為單片機(jī)模塊、顯示模塊、溫度測量模塊、WIFI模塊、繼電器模塊。單片機(jī)模塊即控制模塊，是整個系統(tǒng)的大腦，由STM32F103ZET6最小系統(tǒng)組成。顯示模塊即人機(jī)交互界面，可通過觸摸屏實現(xiàn)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(nèi)的實時溫度。WIFI模塊即通信模塊，下位機(jī)通過WIFI模塊發(fā)送和接收信息，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，由ATK-ESP8266及外圍電路組成。繼電器模塊即單片機(jī)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(guān)，由電動機(jī)、真空壓縮機(jī)、除濕機(jī)、紫外線燈等組成。

3.1 STM32F103ZET6控制系統(tǒng)

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(zhí)行程序代碼。STM32F103ZET6控制系統(tǒng)使用性能較高的ARM Cortex-M3內(nèi)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(qiáng)，有著強(qiáng)大的控制功能。其工作主頻默認(rèn)為72 MHz，內(nèi)部有高速存儲器，豐富的增強(qiáng)型I/O端口和外設(shè)元器件，不僅支持JTAG調(diào)試的方式，而且支持SWD調(diào)試方式[3]。當(dāng)用戶通過人機(jī)交互系統(tǒng)選擇所需功能時，STM32F103ZET6主板將立刻做出相對應(yīng)的控制命令，來達(dá)到用戶的實時要求，實現(xiàn)功能方便快捷穩(wěn)定。

3.2 遠(yuǎn)程控制模塊控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制模塊基于阿里云平臺實現(xiàn)。阿里云是全球領(lǐng)先的云計算及人工智能科技系統(tǒng)，在互聯(lián)網(wǎng)云平臺高速發(fā)展的今天，其較低的成本，強(qiáng)大的計算能力，安全可靠的數(shù)據(jù)處理能力，為本課題衣柜提供了一個強(qiáng)大的科技平臺。本系統(tǒng)依托阿里云平臺，將STM32F103ZET6模塊與WIFI模塊相連接，手機(jī)APP界面如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和溫濕度監(jiān)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(jiān)測衣柜內(nèi)部溫濕度情況，使用戶可以遠(yuǎn)程控制衣柜。

圖3 手機(jī)APP

4 衣柜系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

設(shè)計任何一個系統(tǒng)設(shè)備最終目的還是其應(yīng)用性和實用性。因此在衣柜的方案設(shè)計、系統(tǒng)的硬件設(shè)計、系統(tǒng)的軟件設(shè)計全部實現(xiàn)之后，還需要對整個系統(tǒng)各個模塊的功能進(jìn)行測試、檢驗，以達(dá)到預(yù)期功能和要求。在硬件的搭建過程中，最基本的還是要看機(jī)械機(jī)構(gòu)是否牢固穩(wěn)定，電子線路是否準(zhǔn)確可靠。在組裝同步皮帶的過程中，由于尺寸材料結(jié)構(gòu)等方面的原因，調(diào)試了很久才搭建完成。在編寫程序的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)程序錯誤，經(jīng)過反復(fù)比較和檢查，發(fā)現(xiàn)了很多問題。比如要注意單片機(jī)的端口定義是否正確，要選擇正確的單片機(jī)型號，編寫程序的時候，電腦是否處于英文狀態(tài)下，等等。最關(guān)鍵的一件事就是要仔細(xì)認(rèn)真，上百幾千條語句，稍微有個錯誤就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法實現(xiàn)功能。在本次項目設(shè)計中，出現(xiàn)了很多問題，不過通過對軟硬件的檢查和測試，最終實現(xiàn)了各項功能指標(biāo)。系統(tǒng)硬件實物圖如圖4所示。

圖4 衣柜實物圖

5 結(jié)束語

綜上所述，本文從意義價值、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等方面描述了一個以STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心，以阿里云系統(tǒng)為平臺的物聯(lián)網(wǎng)多功能衣柜。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便易懂，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了衣柜的自動控制過程，具有很好的現(xiàn)實應(yīng)用意義。并且能夠?qū)?qiáng)弱電知識很好地進(jìn)行結(jié)合。在智能化家居大力普及的今天，希望本設(shè)計能給智能衣柜的發(fā)展提供一些參考意義。