智能互联的多功能雨伞

靳鹏　陈思勇　王遵登　秦浩

摘要：随着“互联网+”和“中国制造2025”等战略提出，物联网在促进产业转型升级和提升经济发展质量上被寄予厚望。物联网技术已经开始改变人们的生产和生活。我们利用传感器选择聚焦智能雨伞行业的发展，从中发现，随着人们的生活水平的提高，大众对于雨伞的需求越来越个性化和多样化，雨伞行业发展正处于旺盛期和转型期。

关键词：智能雨伞;物联网技术;传感器

1、项目的研究内容

1.1研究内容

本系统包括三个部分，第一部分是智能雨伞的硬件和嵌入式软件，第二部分是进行数据收发和存储的云端服务器和数据库，第三部分是向用户展示雨伞所采集到的数据并对危险环境做出提醒的微信小程序。

1.1.1智能雨伞电源设计

该雨伞不仅有各种传感器和微控制器需要供电，还有用于烘干雨伞的电热丝需要供电，为了能让电热丝功率突然增加而不影响控制系统正常工作，必须将两个电源隔离。以及让电池在较低情况下依然能够给控制模块供电，发挥出其最大作用，采用升压芯片设计升压电路。

1.1.2嵌入式系统软件设计

该系统有多个传感器需要同步进行数据采集，需要对按键做出合适的处理，并且还需要进行网络通信，其软件设计是一个挑战。为了能让该系统能够正常运行，采用分层设计思想，大大简化了软件的开发难度，提高了系统的稳定性。

1.1.3网络通信协议

该雨伞与服务器通信是整个系统最为关键的环节，通信协议的选择或设计十分重要。本系统的通信协议基于UDP传输协议，是一种集加密、完整性验证和容易编程实现的通信协议。无论是单片机还是服务器都易于编程，并且占用较少资源。使得单片机能耗更低，服务器并发性更高。

1.1.4云端服务器设计

根据智能雨伞的设计目标，为了实现以上功能，本系统数据库采用MYSQL5.7，服务器采用Tomcat 9，使用maven工具搭建而成，各个子系统都采用SSM框架。

1.1.5微信小程序开发

为了能让小程序有更好的用户体验，必须设计十分漂亮的UI界面和简单易学的使用流程。我们采用echarts圖表库，将不同的数据采用不同的形式进行展示，如曲线图、饼图。

2.2硬件设计

2.2.1 MCU模块设计

（1）MCU选型

本系统中，MCU需要对多个传感器数据进行采集和处理，因此对MCU的处理性能、存储容量和资源接口都有较高要求。通过对各个传感器模块所需资源进行统计后对本系统CPU资源需求进行简要评估。本设计优先选用STM32F103系列单片机。

（2）MCU电路设计

MCU最小系统电路包含了时钟电路、复位电路、配置电路、状态灯、调试接口和去耦电容。

2.2.3通信模块设计

通信模块在本设计中主要作用时将多个传感器实时采集的数据上传至服务器。本设计中采用SIM800C作为通信模块。SIM800C是一款四频GSM/GPRS模块，为城堡孔封装。

2.2.4传感器模块设计

（1）温湿度传感器

本设计运用DHT11作为温湿度传感器。本设计中DHT11供电3.3V，数据输出DATA接5K电阻上拉后与单片机IO口PA2，PA3相连。

（2）紫外线强度传感器

紫外线强度传感器负责采集智能雨伞周围环境的紫外线强度信息，在本次设计中采用GYML-8511作为紫外线传感器。ML8511紫外线传感器中内置放大器，可根据紫外线强度将电流转换为电压。

2.2.5加热丝及其控制电路设计

加热丝控制电路控制加热丝加热时机，以及加热时间长度。在本次的设计中我们选用A03400—N沟道场效应管作为开关，控制加热丝的通断。此芯片可广泛用作开关和PWM控制电路中。

3.3数据通信设计

3.3.1 PM2.5传感器数据读取

ZPH02粉尘传感器整合红外PM2.5检测技术，采用粒子数原理对环境中PM2.5进行检测。可灵敏检测直径1微米以上灰尘颗粒物。具有PWM、UART数字串行接口（可定制IIC接口输出模式）。

3.3.2 UV传感器数据读取

紫外线（UV）传感器是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器，它的工作模式通常分为两类：光伏模式和光导模式。可以直接使用STM32内部ADC采集电压。

3.3.3通信模块程序设计

SIM800C是一款四频GSM/GPRS模块。SIM800C采用AT命令进行控制，AT命令简单易懂，并且采用标准串口来收发AT命令，这样对设备控制大大简化了，转换成简单串口编程了。AT命令提供了一组标准的硬件接口--串口。

3.4微信小程序设计

3.4.1小程序的介绍

用户通过微信扫描小程序的二维码或搜索微信小程序的名称进入“智能雨伞”小程序，扫描后即可看到雨伞所处环境的等数据的实时情况。

3.4.2小程序的特点

作为“智能雨伞”数据的呈现端，我们充分考虑了app和微信小程序各自的优缺点，最终我们发现以小程序作为数据的呈现端有如下优势：

①为用户节省存储空间

②使用户快速获取服务

③实现一次开发多处使用

综合考虑了小程序的以上几点优势，我们研发“智能雨伞”的小程序作为数据的呈现端，让用户可以便捷、轻松的使用到“智能雨伞”提供的服务。

结语

本设计设计了一款基于物联网相关技术，结合云端服务器和微信小程序，创新性和实用性兼具的智能化多功能雨伞。其主要优势如下：实时检测雨伞周围影响身体健康的环境参数，若用户处于有害身体的环境下，实时报警提醒用户远离，以保护用户的身体安全。在伞面上安装有多个低功耗LED灯，在夜间行走时，不仅可以提供照明，还可以引起车辆注意防止出现事故。根据GPS模块获取雨伞的位置信息，当用户远离雨伞时，提醒用户带上雨伞，防止雨伞丢失。

参考文献：

[1]付召斌，王苹，池朝霞.“变色龙”智能雨伞设计浅析[J].现代信息科技，2019，3（01）

[2]陈玉娥，任玉文，陈可，黄文欢，宋鑫海，韩文龙.基于物联网的校园共享雨伞系统设计与实现[J].九江学院学报（自然科学版），2018，33（04）

[3]张海朝，李晓波.一种基于GSM及无线射频通信的共享雨伞系统[J].信息通信，2018（09）