家庭智能衣柜控制系统研究

李诗鸥 张建 淮海工学院 计算机工程学院

引言

现代计算机技术、控制技术、图形显示以及通信技术的发展随着人类社会文明和科学技术的进步发展的尤为迅猛，我们切身体会的就是目前社会已经开始逐步迈入以网络和数字化为平台的智能化社会，随处可见的类似于智能化的机器人、轿车、仪表、飞机、高速公路、智能化小区、楼宇更甚至城市等一些不同程度上智能化的产品甚至是我们每天所处的生活或工作环境，并且我们可以很明显的看出这种智能化正在以一种高速的趋势发展。家居智能化将是21 世纪以及日后生活的新概念住宅的必然发展趋势，故家庭智能衣柜拥有广阔发展前景。智能衣柜之所以被冠以“智能”二字，便是因为它很大程度上可以方便人们的日常生活，它拥有空气加湿、除湿，衣柜自大除味，自体感知和检测室内指标数据等实用功能，用户可以不再为衣柜潮湿、雨季衣物发霉等问题干扰。科技的迅速发展给了智能衣柜一个良好的发展机遇，在这种社会前提下，智能衣柜的技术水平将会被大大地提高。本篇文章将会针对家庭智能衣柜的控制进行分析，以及叙述智能衣柜的设计和实现过程。基于树莓派3B 控制开发板，配合DHT11温湿度传感器、MQ-5 可燃气体传感器、HC-SR501 人体红外传感器，实现衣柜的智能控制，室内环境的监测，衣物防霉变等功能。

1 选用硬件介绍

1.1 树莓派的简单介绍

Raspberry Pi（其中文名为树莓派）是一个基于Linux 的微型计算机，基于基于ARM 的硬件系统，由注册在英国的慈善组织发布。树莓派共带有40 个引脚，分为GPIO 引脚、UART 总线、SPI 总线、I2C 总线、5V、3.3V、GND。其中GPIO 引脚26 个、GND 引脚8 个，5V 和3.3V 各两个，UART 总线、SPI 总线、I2C 总线各一个。

1.2 DHT11 温湿度传感器介绍

DHT11 温、湿度传感器，是一种具有校准数字信号输出的温湿度功能复合传感器。该传感器的勘测误差范围在湿度上是+-5%RH， 在温度上是+-2℃。其量程在湿度上是20%-90%RH，在温度上是0-50 摄氏度。可以看出该传感器满足本设计温湿度量取的需求。

1.3 MQ-5 可燃气体传感器介绍

MQ-5 传感器又名可燃气体传感器，是一种常用于工业或家庭中检测可燃气体浓度的、价格低廉的传感器。其基本原理是通过二氧 化锡在正常清洁不含有可燃气体的空气环境中拥有较低的导电率，而这种传感器在含有可燃气体（如甲烷、丁烷、丁烷等）的空气环境中导电率提升，从而测出当前空气环境质量下可燃气体的浓度（单位为ppm，百万分比浓度）。

1.4 HC-SR501 人体红外传感器介绍

HC-SR501 传感器，也叫人体红外传感器，这种传感器通常用于各种类型的自动传感设备以及自动控制产品。具有价格低廉、应用简单的优点。其基本原理是通过探测人体体温37 所散发出波长为10um的红外线，而传感器在被这种红外线辐射后，将会失去电荷平衡，向外发出电荷，改变其电气特征，即可发生报警信号。

1.5 继电器介绍

继电器模块，常见于各种控制电路，通过小电流的控制信号使电磁铁通电，从而使大电流电路导通，起到控制电路的作用。继电器模块常见的一般控制端有三个引脚，分别为GND、VCC、控制线，而另一端分别接用电器的正极和负极。通过控制线操作控制继电器断开闭合，从而实现控制大电流电路或用电器的目的。

2 家庭智能衣柜控制系统硬件设计设计

2.1 总体硬件设计原理描述

本系统采用树莓派3B 控制板作为中控系统。共采用DHT11 温湿度传感器和MQ-5 可燃气体传感器两款传感器。其中MQ-5 可燃气体传感器所量值要使用AD 转换器。本设计采用了I2C 的AD 转换器——PCF8591。此外，使用了两个继电器，用于控制加热器和紫外线灯。

2.2 可燃气体监测模块硬件设计原理

本模块选用了MQ-5 可燃气体传感器。由于树莓派不带有AD转换引脚，故也使用了一块PCF8591 做AD 转换。其中MQ-5 和PCF8591 的GND 分别接树莓派的GND、VCC 分别接树莓派的3.3V。而MQ-5 的AO 端口，即模拟量输出端口接PCF8591 的AIN1 端口，即模拟量输入端口1。PCF8591 通过自身SCL 和SDA 与树莓派的SCL 和SDA 相连，接入树莓派的I2C 总线中。树莓派将通过I2C 总线操作PCF8591 取得MQ-5 可燃气体传感器模块测量到的值。

2.3 衣柜内温湿度监测模块硬件设计原理

本模块采用了DHT-11 温湿度传感器，该传感器物美价廉，且使用简单。将DHT-11 温湿度传感器的GND 和VCC 引脚分别与树莓派GND 和3.3V 相连，DHT-11 的数据线SIG 与树莓派的GPIO17引脚相连（BCM 编码方式）。将GPIO17 初始化为输出引脚，向其发出启动信号。然后将GPIO17 改变为输入引脚，根据高低电平持续时间获取其传输的每一位的值，经过处理后获取所测得的温湿度的值。

2.4 衣柜内湿度控制模块硬件设计原理

本模块采用了继电器控制大电路的控制方式。将加热器放置于大电路端，控制电路端的VCC 和GND 分别接树莓派的GND 和3.3V，剩下的信号线接GPIO20（BCM 编码方式下）。设置GPIO20 的引脚为输出引脚，在特定环境下（湿度高于一定值）或用户操作下输出高电平，使大电路端闭合，控制加热器加热，降低衣柜内湿度。在湿度低于一定范围或在用户控制下停止加热，从而实现衣柜内湿度控制的功能。

2.5 湿度控制模块软件设计

本模块的主要任务是通过继电器操作加热器从而实现湿度控制的功能。具体流程如下，首先初始化继电器控制引脚所连树莓派GPIO 口，发出控制信号使继电器闭合，在延时一段时间后断开继电器。

2.6 紫外线灯控制模块软件设计

本模块采用了与湿度控制模块相同的继电器控制大电路的控制方式。将紫外线灯连接到继电器于大电路端，控制电路端的VCC 和GND 分别接树莓派的GND 和3.3V，剩下的信号线接GPIO21（BCM编码方式下）。但与湿度控制模块不同的是，紫外线对人有较大影响，故添加人体红外传感器，将其信号线连接到树莓派GPIO16 引脚（BCM编码下）。在用户操作下且检测周围无人情况时输出高电平，使大电路端闭合，控制紫外线灯照射，进行杀菌除螨的任务，提升衣柜内衣物质量，使用户穿衣更加健康。

3 家庭智能衣柜控制系统软件设计

3.1 整体系统软件间的关系

本设计中的家庭智能衣柜管理系统，是软件技术和对应的硬件设备统一的结果。家庭智能衣柜控制管理系统的整体软件设计框图如图1 所示。

图1 家庭智能衣柜管理系统整体软件设计图

系统的整体软件设计可以分为三个大的模块，底层的硬件数据信息采集模块、中间层数据接收处理模块和高层网络通信模块。底层信息采集模块是树莓派通过直接与传感器相连或使用I2C 设备进行数据采集。中间层则是树莓派内的Python 脚本程序采集处理个传感器数据，并解析成对人友好的的数据类型。而高层将采集分析过的数据进行网络通信上传至服务器中。

3.2 总体软件系统设计流程

本系统将采用flask-web 框架搭建整体软件，以相对容易的实现对传感器数据的远程传输和硬件远程操作的支持。如图2 中所示，本系统在收到一条HTTP 请求后将先判断其请求类型为数据请求还是操作请求，再根据其请求的数据类型和操作的目标细分，进入其各自的子模块。

图2 家庭智能衣柜控制系统总体软件设计流程图

3.3 DHT11 温湿度模块软件设计

D 本模块的主要任务是操作DHT-11 温湿度传感器并取得所测数据。首先初始化DHT-11 数据线所连引脚，向其发出工作信号。此处工作信号为一个持续约20ms 的低电平然后跳变成高电平。接着将DHT-11 的信号线引脚设置为输入引脚，在接收到数据传输信号后，开始记录数据。此处数据传输信号为持续一段时间的高电平跳变成一段时间低电平再跳变成高电平，然后正式数据传输。数据传输方法是，每两段低电平直接的高电平为1 位，接着判断高电平的持续时间，一般大于约13ms，则该位为0，小于13ms 则该位为1。共四十位数据，每8 位分别为温湿度整数和小数点后值，最后8 位为校验和。最后核准校验和，返回数据。

3.4 MQ-5 可燃气体模块软件设计

本模块的主要任务是通过I2C 总线获取pcf8591 上INT0 的值，即MQ-5 可燃气体传感器的AO 模拟量输出的值在经过pcf8591 转换成数字量之后的结果。具体流程如下，先初始化I2C 总线，接着初始化pcf8591 模块，读取I2C 中pcf8591 所在地址的值，本处地址为0x48，pcf8591内部存放INT0 的值的地址为0x40。最后取得所量值，返回数据。

3.5 湿度控制模块软件设计

本模块的主要任务是通过继电器操作加热器从而实现湿度控制的功能。具体流程如下，首先初始化继电器控制引脚所连树莓派GPIO 口，发出控制信号使继电器闭合，在延时一段时间后断开继电器。

3.6 紫外线灯控制模块软件设计

本模块的主要任务与湿度控制模块类似，通过继电器控制紫外线灯实现杀菌除螨的作用。但不同的是由于紫外线对人有较大影响，所以本模块设计中添加了人体红外传感器，判断衣柜附近是否有人会受到影响，有则不启动或结束紫外线灯任务。

4 结语

本文章的主题是家庭智能衣柜控制系统研究。在调研时期，调查研究了传统衣柜的不足之处和当下只能衣柜的发展方向，确定了本设计控制系统的思路。设计主要采用B/S 架构，选取了树莓派的核心控制板。树莓派的优势在于底层驱动有良好的库的支持，可以将更多精力集中于应用层开发。用户可以通过手机或者电脑使用浏览器连接智能衣柜的控制平台、查看智能衣柜内温湿度和可燃气体浓度，从而规避衣物霉变和卧室内可能出现的火灾风险。此外本设计还为降低霉变概率和人体健康穿衣提供了帮助，通过远程操作继电器实现加热器和紫外线灯的控制，实现湿度降低、杀菌除螨的功能。