基于物联网技术的智能家居椅控制系统设计

赵跃鹏,杨承翰,杨金林,高兴文,陈佳欢

(浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江 杭州 313018)

0 引言

近年来，互联网的发展带动了物联网、人工智能行业的兴起和流行[1]。家居智能化作为目前一种新兴的发展趋势，在世界范围内得到了飞速发展，成为当前家居行业发展的主要趋势之一[2-4]。随着人们对生活质量追求的提高，智能家居椅逐渐赢得大家的关注。智能家居椅作为智能家居的重要组成部分，凭借便捷、舒适等优势，引起广大研究者的关注[5-6]。

针对智能家居椅控制系统，国内外研究者开展了一系列研究工作。Fatima University采用Arduino微控制器和MIT软件开发了一种自动电子椅控制系统[7]。该系统主要帮助残疾人士使用手势和智能手机应用控制自动电子椅，帮助残疾患者独立移动。Universiti Putra Malaysia采用模糊逻辑的人工智能设计了一种电子按摩椅[8]，可以根据血压和心率传感器读数自动配置治疗方案，改善用户的健康情况。西安理工大学采用LPC2131设计了一种投币式按摩椅控制系统[9]。待投币成功后，LPC2131控制器根据用户需求发送按摩模式和按摩速度等指令，从而启动执行机构。该系统具备音乐播放、按摩速度显示、按摩模式选择等控制功能。合肥工业大学设计了一种基于STM32和触摸屏的智能型数字化按摩椅控制系统[10]。该控制系统能够对按摩的模式和速度进行调控，兼具MP3音乐播放、语音对话等智能感知功能。目前，国内外智能家居椅的控制系统价格昂贵、配置复杂、操控难度较大[11-12]。

本文针对现有智能家居椅控制系统难以二次开发、接口兼容性较差等问题，设计了一款基于STM32控制器的智能家居椅控制系统。该系统扩展了家居椅控制系统的输入输出接口，采集多个传感器模块输出、基于Java语言开发了“舒椅”微信客户端应用(application，APP)程序，采用WiFi模块实现了基于物联网技术的家居椅的智能调控，为新一代智能家居椅控制系统的开发提供了新思路。

1 智能家居椅控制系统设计

本文对智能家居椅控制系统的输入输出接口进行扩展，旨在实现捶背结构、椅子复合结构、辅助阅读结构的智能控制。智能家居椅模型如图1所示。

图1 智能家居椅模型

选用STM32F103ZET6作为主控芯片，扩展智能家居椅控制系统的输入接口，接入测力传感模块、S型称重传感模块、光电传感模块、WiFi模块实现捶背结构、椅子复合结构、辅助阅读结构的执行控制。基于STM32的智能家居椅控制系统结构如图2所示。

图2 基于STM32的智能家居椅控制系统结构图

①测力传感模块。

测力传感模块可实现捶背力度大小的测量。本文选用SBT630B作为测力传感模块的核心。该传感器量程为0.5～3 kg。用户根据“舒椅”客户端APP反馈的测力值远程操控，调节捶背执行机构实现捶背力度的控制。本文设计了如图3所示的SBT630B信号输出应用电路。

图3 SBT630B信号输出应用电路

SBT630B采用模拟信号输出，经A/D转换器HX720转换后，将数字量ADDO传送给STM32的GPIO口进行采集，从而获得当前捶背力度值。用户可根据当前捶背力度值，在“舒椅”客户端APP进行调整。

②S型称重传感模块设计。

S型称重传感模块用于测定家居椅复合结构受力大小。本文选用BS1型传感器(量程0～200 kg)进行了称重传感模块的设计。由于BS1型称重传感器采用了差分信号输出，本文设计了如图4所示的S型称重传感模块信号处理电路。

S型称重传感器的输出端uin1和uin2，经过两级运放后求差获得电压信号uout。该电压信号传送给A/D转换器，并将转化的数字量传送给STM32进行采集，从而获得当前家居椅复合结构受力值。用户根据当前复合结构检测的受力值，远程操控“舒椅”客户端APP，选择合适的档位按摩或控制复合机构，实现助起等功能。

图4 S型称重传感模块信号处理电路

③光电传感模块。

本文选用热释电传感器、光敏电阻以及BISS0001作为光电传感模块的核心，设计了如图5所示的光电传感模块电路。

图5 光电传感模块电路

热释电传感器探测人体红外辐射，光敏电阻探测当前光照强度。当外界光强较强时，光敏电阻阻值较小，BISS0001检测到低电平，热释电传感器输出无效；当外界光强较弱时，光敏电阻阻值变大，BISS0001检测到高电平，热释电传感器启动。此时，若用户靠近家居椅，热释电传感器检测到信号，并将其发送至STM32进行处理，从而驱动辅助阅读机构进行调控，以满足用户的阅读需求，实现节能控制。

④WiFi模块。

WiFi模块可实现STM32与“舒椅”微信客户端APP之间的通信。本文选用了ESP8266模块，通过STM32发送相应的AT指令，实现了传感数据、控制指令的无线传输。

2 基于Java语言的远程操控模块设计

本文采用物联网技术，基于Java语言开发了“舒椅”微信客户端APP，旨在实现家居椅的便捷控制。“舒椅”软件控制流程如图6所示。

图6 “舒椅”软件控制流程图

为保证家居椅安全运行，用户在使用智能家居椅前需使用“舒椅”微信客户端APP扫描家居椅的二维码，登录并进入“舒椅”控制页面，从而进行后续的远程操控。“舒椅”控制界面主要有查看、捶背、阅读等功能，用户可根据需要自主选择试验家居椅的控制。

3 智能家居椅控制性能试验测试

为验证本次智能家居椅控制系统的控制性能，本文开展了如下试验测试。试验分别针对椅子复合结构、捶背结构、辅助阅读结构开展了200次独立控制试验测试。控制系统性能测试试验结果统计如表1所示。

表1 控制系统性能测试试验结果统计表

从表1可以看出，经二次开发的智能家居椅控制系统的控制成功率最高可达90.50%，最低为85.49%，相对市场上智能家居椅控制性能有了很大提升。由于本文控制对象为试验室智能家居椅模型，执行机构控制难度较大，且各机械部件之间存在疲劳磨损、过量变形或零件断裂等失效情况，导致各机械结构的控制性能有所差异。后续研究将进一步完善各机械零部件，提升其控制性能。

4 结论

本文设计了一款基于物联网技术的智能家居椅控制系统，解决了现有智能家居椅控制系统二次开发难度大、接口兼容性差的问题。采用STM32控制器对智能家居椅控制系统的输入输出接口进行扩展，引入压力传感器、称重传感器、光电探测传感器等对智能家居椅捶背结构、复合结构、辅助阅读结构进行了改进设计。试验测试结果表明，该系统控制的成功率大于85%，具备较高的控制性能。本次智能家居椅控制系统的设计可为后续智能家居系统设计提供新思路。