基于ESP32的智能百葉窗設(shè)計

周盧田，杏甜，劉陌凡，張旭，傅院霞

（蚌埠學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，安徽蚌埠，233000）

百葉窗在日常生活中應(yīng)用十分廣泛，具有良好的透光性，與布藝窗簾相比，百葉窗可更加均勻的控制室內(nèi)光照[1]。在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，智能百葉窗具有較大市場份額，窗體產(chǎn)品啟閉方式也進入了智能化的時代，在國內(nèi)，智能百葉窗也受到了人們的重視，智能百葉窗屬于高端前沿產(chǎn)品，未來數(shù)年內(nèi)智能百葉窗市場將進一步擴大[2~4]。2020年陳美玲等人設(shè)計一款基于WiFi遠程遙控的智能逐光百葉窗[5]，該設(shè)計通過ESP8266芯片，實現(xiàn)了百葉窗聯(lián)網(wǎng)功能。2021年劉雪雪等人設(shè)計的智能百葉窗[6]，其葉片可根據(jù)環(huán)境變化，以及光線角度進行調(diào)節(jié)。前者的葉片只有全開和全閉兩種狀態(tài)，其對光線的控制不夠均勻，且設(shè)計方案中ESP8266僅作為一個單向發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片，芯片能力并未有效發(fā)揮。劉雪雪等人設(shè)計的百葉窗，缺乏遠程控制。本設(shè)計將采用ESP32的作為主控，結(jié)合前兩款百葉窗設(shè)計的優(yōu)缺點，致力于改善用戶體驗，提出一種新的智能物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

1 總體方案

系統(tǒng)構(gòu)成主要有ESP32、28BYJ-48步進電機、42步進電機、HDC1080溫濕度傳感器、光敏傳感器、語音模塊、MPU6050角度傳感器、激光測距模塊、變速箱、點燈Blinker APP等部件構(gòu)成。ESP32是系統(tǒng)中央控制器，控制與協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作，同時作為一款2.4GHz WiFi芯片，其負責百葉窗與APP之間的遠程連接。28BYJ-48步進電機用于控制百葉窗葉片角度，42步進電機用于驅(qū)動窗簾拉起和放下。DC1080溫濕度傳感器負責采集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)與光敏傳感器配合，葉片可根據(jù)環(huán)境自行做出調(diào)整。激光測距模塊可測量用戶手掌與百葉窗之間的距離，用于手勢控制百葉窗。語音模塊用于采集用戶語音指令，配合激光測距模塊，用戶可實現(xiàn)對百葉窗進行離線非接觸控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 模塊介紹

■ 2.1 ESP32

本設(shè)計采用ESP32作為主控，該芯片采用40nm工藝，雙核32位MCU、2.4GHz雙模WiFi和藍牙芯片、主頻高達230MHz,計算能力可達600DMIPS。具有高射頻，高穩(wěn)定性，高可靠性、低功耗及通用性等特點，具有包括Active模式、Modem-sleep模式、Light-sleep模式、Deep-sleep模式、Hibernation模式在內(nèi)的多種調(diào)節(jié)管理模式?？筛鶕?jù)不同需求，調(diào)節(jié)所需方案。常運用于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[7]。ESP32負責控制整個百葉窗的運行，ESP32通過MQTT協(xié)議與移動APP點燈Blinker進行連接。實現(xiàn)遠程控制百葉窗。ESP32將溫濕度傳感器獲取到的信息上傳到點燈Blinker實現(xiàn)遠程交互。ESP32通過IO口，發(fā)出脈沖，控制與之相連的42步進電機和28BYJ-48步進電機達到精確控制電機轉(zhuǎn)動效果。圖2為系統(tǒng)電路圖。

圖2 系統(tǒng)電路

■ 2.2 HDC1080

本設(shè)計采用HDC1080溫濕度傳感器模塊，具有低成本，抗干擾性強，高分辨率等特點。該傳感器最高分辨率為14位測量分辨率。與ESP32進行I2C通信并以通過網(wǎng)絡(luò)將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送至移動APP。測量數(shù)據(jù)流程如下，通過I2C通信協(xié)議在寄存器地址0x02中配置采集參數(shù)待其響應(yīng)，通過將位12置1 設(shè)置采集溫度和濕度的模式，設(shè)置位10確定測量溫度的分辨率，位8和位9同時確定氣壓分辨率，通過執(zhí)行指針寫入指令并將地址指針設(shè)置0x00來觸發(fā)測量發(fā)送檢測命令，待設(shè)備響應(yīng)，讀取8位字節(jié)獲取溫濕度信息[8]。

■ 2.3 TOF400C

本設(shè)計采用TOF400C作為百葉窗的激光測距模塊，內(nèi)部由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的VL53L1X芯片控制。其優(yōu)點有功耗低，精度高，反應(yīng)較快等特點，常用于激光測距模塊。TOF是一種絕對距離檢測技術(shù)，即傳感器發(fā)出經(jīng)過調(diào)試的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發(fā)射和反射時差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息。TOF400C取樣頻率較快，達到400kHz，與ESP32之間使用I2C進行通信，通過調(diào)用VL53L1X內(nèi)部的API對激光測距模塊進行數(shù)據(jù)讀取。此模塊在本設(shè)計用于測量用戶手掌與百葉窗之間的距離。

■ 2.4 LD3320

語音模塊LD3320，是一款非特定人聲芯片，無需額外錄音，識別外部語音與寄存器語音相同時即可，識別率可達95%。該模塊識別的語言可進行后續(xù)編程，開發(fā)者采用I2C通信，向寄存器內(nèi)部寫入需要識別的語音即可，后續(xù)可增添50組非特定人語音條[9]。為了進一步降低環(huán)境對該模塊的干擾，提高識別率，本設(shè)計在每條指令前設(shè)計激活語音指令，系統(tǒng)讀取到激活語音指令后，才可以執(zhí)行下一步語音指令。激活語音指令的設(shè)計，在一定程度上，減少了非指令語音的干擾，降低系統(tǒng)執(zhí)行錯誤指令的概率。

■ 2.5 MPU6050

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的整合性 6 軸運動處理傳感器。其內(nèi)部整合了 3 軸陀螺儀和 3 軸加速度傳感器，利用 MPU6050 芯片內(nèi)部的 DMP 模塊（Digital Motion Processor 數(shù)字運動處理器）， 可對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波、融合處理。MPU6050與上位機進行I2C通信，接口向上位機輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)，降低上位機的運算量。本設(shè)計將MPU6050加速度計陀螺儀貼合在百葉窗的葉片上，使之可以采集百葉窗葉片的角度信息，并將角度數(shù)據(jù)通過I2C協(xié)議發(fā)送至ESP32。

■ 2.6 機械部分

與傳統(tǒng)百葉窗相比，本設(shè)計在機械部分稍作改動，轉(zhuǎn)軸采用六角方鋼，在結(jié)構(gòu)強度方面優(yōu)于傳統(tǒng)百葉窗。同時設(shè)計配套一款變速箱，0.5模30齒的齒輪同蝸桿配合，使得減速箱可以實現(xiàn)自鎖效果。此變速箱預(yù)留接口利用28BYJ-48步進電機進行驅(qū)動。本設(shè)計通過置于葉片上的MPU6050傳感器可獲取葉片俯仰角度，從而與28BYJ-48步進電機形成閉環(huán)控制，使本設(shè)計可精確調(diào)控百葉窗葉片角度，百葉窗利用用42步進電機拉動拉繩，代替用戶手拉操作，達到方便省力的效果。同時，此款步進電機可后置剎車片，斷電后剎車抱死，窗簾任能保持斷電前的位置，在下次上電時剎車松開，電機可正常運轉(zhuǎn)。圖3為百葉窗外部電機結(jié)構(gòu)。

圖3 百葉窗外部電機結(jié)構(gòu)

3 工作模式

■ 3.1 離線模式

3.1.1 自動模式

處于自動控制模式時，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境自主做出決策。傳感器采集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)和光照強度信息。葉片在0～180度進行一次翻轉(zhuǎn)，同時光敏傳感器記錄室內(nèi)光照強度。在此范圍內(nèi)，若光照強度均低于100lux，葉片翻轉(zhuǎn)到最強光照角度。光照強度在100lux~500lux，葉片角度不變化。光照強度高于500lux，且室內(nèi)溫度高于30℃，葉片關(guān)閉。光照強度低于10lux，系統(tǒng)判定為夜晚，葉片關(guān)閉。

3.1.2 半自動模式

此模式由語音模塊和激光測距模塊協(xié)作完成。用戶通過口令“百葉窗”待蜂鳴器有回應(yīng)，語音系統(tǒng)激活，用戶可通過如表1所示口令控制百葉窗。

表1 語音口令

激光測距模塊視場角 為27 °，工 作 距 離 在50mm~4000mm。手勢控制開啟后，用戶手掌正對百葉窗持續(xù)三秒進行初始化操作。待蜂鳴器提示音響后，初始化完成。用戶前后移動手掌，葉片隨著用戶手掌前后移動進行翻轉(zhuǎn)。葉片翻轉(zhuǎn)角度與手掌和百葉窗之間的距離呈正相關(guān)。待葉片調(diào)整到適合的角度后，通過語音關(guān)閉手勢控制，葉片翻轉(zhuǎn)操作完成。語音模塊和激光測距模塊相互配合，用戶可實現(xiàn)在不接觸百葉窗的情況下對其進行操作。激光測距模塊的引入，在一定程度上豐富了百葉窗的控制方式，使百葉窗這種傳統(tǒng)家具更具科技感。

■ 3.2 在線模式

點燈Blinker是一套專業(yè)，成熟的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，其封裝了多個平臺的底層代碼，極大的簡化了開發(fā)者的開發(fā)工作。Blinker平臺其將服務(wù)器，設(shè)備端SDK，和APP整合到一起，簡化了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工作。開發(fā)者僅需關(guān)注設(shè)備需要實現(xiàn)的功能，而不需要去處理繁瑣的底層邏輯開發(fā)簡單。用戶可自定義編輯Blinker app操作界面。自定義界面完成后，將app中獲取到的Secret Key、WiFi熱點名稱以及WiFi密碼編譯到ESP32中，ESP32連入用戶的WiFi，用戶便通過移動APP控制百葉窗，遠程控制窗簾收放，精確控制百葉窗葉片的翻轉(zhuǎn)。

4 程序設(shè)計

■ 4.1 開發(fā)準備

本設(shè)計使用的開發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，開發(fā)環(huán)境中安裝ESP32庫，即可對ESP32芯片進行開發(fā)，開發(fā)簡單，代碼簡潔。為了使系統(tǒng)能夠接入點燈Blinker平臺，需在開發(fā)環(huán)境中安裝Blinker庫。

■ 4.2 程序思路

設(shè)備每次上電后，均需完成初始化操作。剎車片松開，窗簾收回，直到最頂部的葉片觸碰到限位開關(guān)，停止收回，窗簾位置清零，待蜂鳴器提示后，完成初始化操作。初始化完成后用戶選擇接入模式，系統(tǒng)接入Blinker 平臺 ，WiFi模式定義函數(shù)為BLINKER_WIFI，創(chuàng)建組件對象，綁定用戶APP中的滾動條，按鍵和文本框。通過ESP32將溫濕度數(shù)據(jù)導(dǎo)入心跳包，數(shù)據(jù)間隔30~60s通過心跳包發(fā)送到APP[10]。用戶可實現(xiàn)遠程對百葉窗的控制和數(shù)據(jù)查詢。選擇自動控制模式后，葉片在0~180°內(nèi)翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采集90組光照強度，并進行冒泡排序，系統(tǒng)尋找出最優(yōu)角度，電機執(zhí)行轉(zhuǎn)動，此后進入循環(huán)，葉片每5分鐘進行一次掃描。當語音模塊被激活時，系統(tǒng)進入語音控制模式。若在語音模式下，激光測距模塊被激活，系統(tǒng)通過測量與手之間的距離，進行一維手勢控制。圖4為程序設(shè)計思路。

圖4 程序設(shè)計思路

5 結(jié)束語

本設(shè)計采用ESP32作為主控，系統(tǒng)通過Blinker連入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對百葉窗的遠程控制。溫濕度傳感器與光敏傳感器配合使得百葉窗可根據(jù)環(huán)境自主做出決策。語音控制配合手勢控制，令百葉窗更具科技感。用戶可以在不接觸百葉窗的情況下對其進行離線控制，在一定程度上豐富了百葉窗的控制方式。本設(shè)計為相關(guān)產(chǎn)品提供了一種新的發(fā)展思路，豐富了用戶體驗，具有較大的市場前景。