智能家用无线风扇控制系统研究

2020-07-23陈炳飞

物联网技术 2020年7期

陈炳飞

摘要：针对传统电风扇功能单一，满足不了人们对家用电器智能化需求的问题，文中对实现电风扇控制智能化进行了研究。该系统以单片机为风扇控制器的主控芯片，设计温度采集模块和显示模块来对周围环境实时采集并显示;设计串口通信模块来实现手机与单片机的通信;设计转速控制模块来实现对风扇的智能化控制。用户可通过手机APP对风扇实现转速控制、定时关闭和温度控制等功能。经过测试，该系统性能稳定，实现了对风扇的无线智能化控制。

关键词：无线电风扇;无线控制;温度控制;转速控制;智能家电;手机APP

中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）07-0-04

0 引言

虽然随着人们生活水平的提高和家用电器技术的快速发展，电风扇慢慢淡出人们的视野，但有实验表明，电风扇吹出的自然风比空调吹出来的冷风是更加舒适的。所以，对于家里有儿童、老人以及一些體质较差的人的家庭来说，电风扇还是他们纳凉的首选[1]。

传统的电风扇只能通过遥控或手动操纵机械开关对电风扇进行控制[2-3]，缺乏智能终端平台和智能控制的研究设计。随着社会经济与科技的快速发展，人们的生活水平也飞速提高，实现用移动智能终端对电风扇的控制，对人们生活质量的提升具有很大意义[4-5]。特别在日常生活中，很多家庭会担心小朋友跑到电风扇旁边，用手触碰风扇叶，或担心头发被风扇转进去，因此有人选择将电风扇放置在高处。可当人们将风扇置于高处时，对风扇的开关及转速控制就变得困难，而选用智能终端对电风扇进行控制便成为大多数用户的首选[6-8]。

本文针对传统电风扇存在功能单一等不足，融合了人们生活对智能化的需求，设计了一款智能家用无线风扇控制系统。用户只需直接使用手机APP就可以实现控制电风扇的开关、转速、定时和温控等功能。

1 总体设计

本智能无线风扇控制系统通过蓝牙通信方式使手机和风扇控制器建立连接，实现手机远程无线对风扇的控制，系统整体框架如图1所示。手机对风扇的控制包括风扇开关功能、转速控制、定时关闭和温控功能。其中，转速控制主要根据人体舒适性设计有四个分级档位，实现对风扇风量大小的控制。定时关闭功能，即用户可在手机设置一个时间，到时间点自动发送指令来关闭风扇。温控功能主要利用温度传感器实现对周围环境进行一个实时的温度数据采集，并通过温度高低来控制风扇的风量。将采集到的温度数据通过液晶显示，让用户可随时了解当前的温度。温控功能避免用户在半夜还需要关或者调整风扇的转速，让用户可以更加舒适的睡觉，既节约用电，又贴心。风扇控制器以单片机为主控芯片，接收手机的具体指令来控制电风扇。单片机具有性能可靠和成本低等优点，与移动终端相结合，实现对电风扇的智能化控制，具有非常广泛的市场应用价值。

2 硬件设计

本系统的风扇控制器选用的是不仅价格低廉、功耗低，而且应用广泛的51单片机，型号为STC89C52。该芯片具有丰富的接口，是一款适合民用产品开发和学习的控制器。本产品的硬件系统设计包括由时钟电路和复位电路组成的最小系统设计和电源电路设计，还包括4个功能模块，即温度采集模块、显示模块、串口转蓝牙模块和风扇驱动电路模块。系统硬件的总体框架如图2所示。

2.1 温度采集模块设计

温度采集模块使用DS18B20传感器，该传感器具有价格便宜、数据采集精准和结构引脚少等优点，与单片机的硬件连接，如图3所示。该传感器采用单总线传输技术，即单条信号线既可以作为时钟信号又可以传输数据。

使用该模块时，需先对它初始化。初始化完成后，单片机发送指令0xCC给该传感器，启动温度转换。接着重新初始化DS18B20，再发送指令0xBE，读取温度值。

2.2 风扇驱动模块设计

家用电风扇大多使用可控硅改变交流电的导通角，从而改变电风扇两端的有效电压实现电风扇调速。本文用两线直流风扇来模拟家用电风扇，通过改变风扇的输入电压来改变风扇的转速。风扇的驱动电路如图4所示。三极管、二极管、电感和电容组成了BUCK电路，单片机输出PWM控制三极管的通断，便可以改变输出电压。输出电压和输入电压成一定比例关系，即Uo=（Ton/T）Ui。其中，Ton为PWM的导通时间，T为PWM周期。保持PWM周期T不变，只要改变导通时间Ton，就可改变风扇两端的电压，从而控制风扇的转速。其中，当Ton为0时，输出电压为0，则关闭风扇。

2.3 显示模块设计

风扇控制器实时显示周围环境的温度，便于用户了解当前的环境。显示模块使用LCD1602字符液晶来实时显示温度传感器采集到的周围环境温度。LCD1602可显示两行，每行可显示16个字符，具有实用性高和操作简单等优点，与单片机的硬件连接如图5所示。RS为数据或命令选择引脚，RW为读写选择引脚，E为使能信号引脚，D0～D7为数据或命令输入引脚。使用LCD1602液晶显示时，先对它进行初始化，接着输入命令确定要显示的位置，再将要显示的字符传输给LCD1602即可显示。

2.4 串口转蓝牙模块设计

手机和风扇控制器通过蓝牙通信方式进行无线连接，由于风扇控制器采用的51单片机主控芯片没有蓝牙接口，故需外接串口转蓝牙模块，实现接口扩展。本系统使用HC-05模块实现蓝牙功能，该模块与单片机的连接如图6所示。单片机与该模块通信时采用透传模式，该模块会将单片机的串口数据转换成蓝牙数据进行传输。

3 软件设计

本产品的软件设计主要包括风扇控制器端单片机软件设计和手机控制端的APP设计。

3.1 单片机软件设计

单片机软件设计包括温度采集、LCD显示、串口数据通信和控制风扇转速，工作流程如图7所示。首先对单片机各个模块进行初始化，如初始化串口、产生PWM的定时器、显示模块LCD1602和单总线温度采集模块等。

接着，判断串口是否收到指令第一个字节，如果没有收到，则表明无手机端的控制命令;如果收到指令第一个字节，则有手机端的命令发送过来，开始对指令帧进行接收，每收到一个字节都判断一帧指令是否接收完成，如果一帧指令没有接收完成，继续接收直到完整收到一帧指令帧。当完整接收到一帧指令后，对指令进行解析。手机对风扇控制的指令有：开启风扇、关闭风扇、定时关闭风扇、风扇转速控制和温度控制。根据解析到的不同指令，通过调节输出的PWM占空比来控制风扇。

最后，对温度数据进行采集和显示。由于温湿度传感器采用单总线技术，用I/O口模拟单总线时序来对温度数据进行采集。在LCD1602上显示时，需先指定要显示的位置坐标，再将温度数据转换成字符数据显示。

3.2 手机APP软件设计

手机通过蓝牙与单片机进行连接通信，所以手机APP软件开发针对Android蓝牙通信开发[9-10]。手机端APP软件设计流程如图8所示。首先，需声明添加蓝牙权限Bluetooth，才能进行蓝牙通信。获取BluetoothAdapter对象，该对象是移动设备本地蓝牙的适配器，包含了对蓝牙操作的方法。通过BluetoothAdapter对象来判断该手机是否支持蓝牙，如果不支持，退出程序;如果支持，那么开启蓝牙。获取之前已经匹配过的设备，按照列表显示。如果为新设备，则调用startDiscovery（）方法搜索设备。搜索到设备之后，开始配对设备。

如果配对成功之后，则建立单片机与手机的蓝牙通信。主程序接收按钮的触发消息，如果有用户控制风扇按钮被按下，则将指令写入数据线程并发送给单片机。接着等待单片机的接收反馈，如果手机有收到接收反馈，则界面提示设置成功，如果超时未收到接收反馈，则提示设置失败，用户可重新设置。用户控制风扇的按钮有开启风扇按钮、关闭风扇按钮、风扇一档按钮、风扇二档按钮、风扇三档按钮、定时关闭按钮和温控按钮。

3.3 数据通信协议

为了保证通信的准确性，为手机端和单片机端之间通信定义数据通信协议，数据帧主要包括帧头、长度、类型、数据和校验。

手机端的用户指令如图9所示，共有7条指令，分别为开启风扇指令、关闭风扇指令、风扇一档指令、风扇二档指令、风扇三档指令、定时关闭指令和温度控制指令。

风扇控制器接收到手机的控制命令之后，对风扇进行控制，并回复一帧数据给手机，表明已收到指令并已开始执行。指令回复帧如图10所示。

4 测试

对单片機系统上电，打开手机APP连接蓝牙，如图11所示。LCD1602模块实时显示采集的温度，风扇一开始处理关闭状态。通过操作手机APP按钮，即可实现对风扇的无线控制。如对风扇进行温度控制，在手机上设定好温度，用户点击APP温控按钮，将命令发送给单片机，单片机接收到指令之后，则根据采集到的温度实时调节风扇输出的风量。

5 结语

本文阐述了对家用电风扇智能化的研究，满足人们使用移动设备控制电风扇的需求。用户可通过手机软件无线控制电风扇，控制风扇的开启关闭、转速、定时和温度。并经过实际测试，结果表明该产品性能稳定，实现了无线控制的功能，对家用电风扇的智能化研究具有重要意义。

参考文献

[1]穆壹澜，李芷薇，谭瑶，等.婴儿床智能风扇[J].物联网技术，2019，9（2）：105-107.

[2]张娟，王露，刘世月，等.基于51单片机的智能电风扇设计[J].机械工程与自动化，2018（6）：157-158.

[3]刘慧勇，杨虹.基于STM32 的智能电风扇设计[J].现代电子技术，2014，37（21）：108-110.

[4]张飞鸽.基于增量式PID算法的电风扇系统设计[J].机械与电子，2016（12）：50-53.

[5]徐玉炎，明轩，张时毓，等.iShine智能创意多功能小风扇[J].物联网技术，2013，3（2）：14-15.

[6]熊建桥，赵方伟，李小龙.基于STC89C52 单片机的智能电风扇设计[J].机电产品开发与创新，2011（1）：53-55.

[7]李阳，赵娟.基于单片机的智能电风扇的设计[J].南方农机，2018，49（23）：179-180.

[8]陆超逸，石杰元.基于MSP430 和Android 温控距控智能电风扇设计[J].电子制作，2016（15）：13.

[9]魏锐斌，吴超益，毋茂盛.基于手机和蓝牙的监控技术研究[J].物联网技术，2017，7（12）：50-52.