可检测温湿度的智能衣柜设计

朱瑞昕，周 由，钟名焱，蔡宏斌

（辽宁科技大学 电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114051）

0 引 言

在未来，城市将面临向智能城市的转型，以便更有效地管理城市资源、公共安全等。智能城市概念包括经济、生活等多个智能维度。随着购房压力的日益增大，合理的空间利用率逐渐成为人们装修时考虑的重点。现如今，组合式柜组的应用虽然可以较好地利用上层空间，但存取物品时需爬高，具有一定危险性。南方空气潮湿，衣服在柜中长时间放置就会出现发霉的现象，这主要是衣柜内湿度过大造成的；同时，温度过高时也有可能加强霉菌活性，导致衣物发霉。各种因素使得衣柜从只有储存功能发展为具有多种功能的智能衣柜。

相较于国外的智能衣柜市场，在中国，衣柜作为普适性家具，其功能单一，智能化进程基本处于未起步状态，因此存在着巨大商业潜力。面对生活中需要照顾的老年和儿童群体，配置安全方便的家具以适应他们的生活需求，已成为时下亟待解决的问题。设计出良好的适老产品与环境已经变得尤为重要。市场上出现的衣柜主要分为两种：一种是传统衣柜；另外一种是实现了升降功能，但造价高、需要手动摇杆来控制。有些衣柜的用户还可以通过APP实现远程选择衣物、控制衣柜等，但这对于老人来说存在局限性：他们大多不会使用智能手机。因此，相关产品的自动化、个性化、智能化必须进一步增强。

针对当前衣柜存取物品的危险性高和功能单一等实际问题，本文设计一种含有自动升降系统的智能衣柜。在架构设计上采用X型剪式升降机构、滚珠式丝杆机构、重型滑轨机构等简单的机械结构实现自动控制柜体升降，操作简单、可靠性高、占用空间小。在功能上通过温湿度模块对衣柜内部进行实时监控，并反馈给用户；通过超声波模块实现紧急制动功能，降低危险性；设计触控屏幕以及声音检测装置实现对衣柜的多方式操控。

1 系统整体结构设计

本文设计的智能衣柜以STM32F103C8T6（ZET6）为主要系统编程控制以实现其自动化。系统主要包括主控模块、温湿度传感器模块、超声波模块、声音检测模块、LCD液晶屏模块、OLED模块。为避免高空存取物品时需要爬高的风险，拟设置多种运行模式，可通过触控按键、语音检测等自动控制上方储物柜的升降。当储物柜借助超声波模块检测到制动距离时及时停止。在程序内设置适宜存放衣物的环境参数，智能衣柜系统自动监测环境，实时数据超过设定范围时即触发蜂鸣器报警装置，及时提醒使用者衣柜状况不良，此时可以人为地进行室内通风。系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程

2 机械结构设计

本系统装置通过步进电机提供动力，利用电机的正转、反转控制智能衣柜的自动开关门以及升降功能。通过固定在支架上的电机驱动齿轮作用，进而控制衣柜内部箱体的运动。箱体自动升降设计如图2所示。

图2 箱体自动升降设计图

箱体自动升降装置的工作机制如下：

（1）设计皮带传动装置，通过步进电机实现皮带的转动，使另一端的丝杆带动连接装置实现柜门运动。

（2）通过固定在支架上的电机带动齿轮转动，与齿条啮合产生使滑轨前后运动的力，从而实现衣柜上层空间进出的功能。

（3）通过步进电机连接绞盘，带动吊绳；利用多节伸缩杆导向，给电后主控驱动步进电机运转，实现储物柜的升降功能。

箱体的功能触发方式为：①通过触发下降按钮实现储物盒从箱体内部出来再到下降的功能；②通过触发上升按钮实现储物盒上升进入箱体的功能；③通过触发停止按钮，可使储物盒在下降或上升过程中的任意位置停止。

3 硬件模块的工作原理及设计

3.1 HC-SR04超声波模块

声波根据频率可分为次声波、声波和超声波。振动频率大于20 kHz以上的声波被称为超声波，超出了人耳听觉的上限，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好等特点。广泛应用于医疗、工业检测、国防通信等领域。

本衣柜采取HC-SR04超声波模块实现衣柜的制动功能。HC-SR04超声波模块测距的方式为非接触式，它的测量范围为2～400 cm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。拟在储物盒的下方安装HC-SR04超声波模块，其下拉电阻可以调节灵敏度和测试角度，增大下拉电阻会获得更远的测量距离和感应角度。实时监测与下方物体的距离，用以检测储物盒下是否有物体出现，从而控制电机的制动等功能。

3.2 DHT11温湿度传感器

DHT11是一款数字温湿度复合传感器，包括一个高分子电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，通过标准的单总线通信方式与微处理器通信。为了使其测试更精确，将该模块固定在衣柜内壁。在发送端，STM32控制传感器模块进行采集，通过串口将接收到的数据传递给芯片，对数据进行分析、处理以及实时显示，确保测温测湿功能稳定可靠、响应速度快、抗干扰性能强。令模块与OLED连接，将所测数据显示在OLED屏幕上，在湿度高于70%、温度高于27 ℃时发出警报，及时提醒人们通风干燥、防止霉菌。

DHT11与微处理器的连接：数据线长度小于20 m时可用5 kΩ的上拉电阻，长度大于20 m时看情况选择电阻。

3.3 TFT-LCD触摸屏

TFT是一种薄膜晶体管液晶显示器，支持五点同时触摸。当使用者触摸屏幕时，与液晶屏接触点将产生微小电流，造成该部分产生压降、该波动返回到主控，利用这种感应电流的方式来达到触摸控制的目的，但带上手套触摸屏幕时会毫无反应。利用STM32编写控件，处理受压位置，在LCD上显示以控制电机运行。采用NT35510驱动，LCD采用16位8080并行接口与主控实现通信，触摸屏采用IC接口。

3.4 声音检测-声音传感器模块

VCC外接3.3～5 V电压，该模块对环境声音强度具有一定敏感性。在周边声音强度未达到设定的阈值时，OUT端将输出高电平；当超过该值时，OUT端将输出低电平。使用STM32检测模块输出的高低电平，对衣柜周边声音进行判断。可以通过拍手等方式进行声控控制，实现衣柜箱体进出功能。

4 系统软件程序设计

系统主程序使用Keil工具编写，由初始化程序、超声波测距程序、电机驱动程序、温湿度检测程序、OLED显示程序、触摸屏程序、声音检测程序组成。系统软件程序流程如图3所示。

图3 系统软件程序流程

4.1 超声波测距

使用飞行时间（TOF）的基于超声波的距离测量已是不同领域、不同应用中所采用的基本技术。STM32ZET6单片机提供一个大于10 μs的脉冲信号从I/O口输出，用以触发模块；收到触发信号后，单片机发出8个40 kHz的周期电平，等待回响。经超声波接收电路处理后的回波信号比较微弱，而且有干扰信号存在。经两级滤波电路处理后回波信号放大明显，消除大部分干扰。根据发射和接受信号的时间差测距（（高电平时间×声速）/2，声速为340 m/s），实时监测与下方物体的距离，返回给单片机，实现制动。

4.2 温湿度检测程序

MCU发送start信号，拉低总线18 ms以上，然后拉高电平。DHT11检测到开始信号并等待高电平延时结束后，发送一个80 μs的低电平作为响应，此时认为DHT11响应正常。拉高总线80 μs，准备发送数据；至最后一位数据传输结束后，拉低总线50 μs，处于空闲状态。采集的实时数据传送给MCU，若超过给定范围，蜂鸣器会发出报警信号。

5 测试结果与分析

5.1 温湿度测量曲线

如图4所示，在环境稳定的情况下，模拟室内温度，通过人工加温，对温度进行100 min以内的持续数据检测，以此测试衣柜的报警响应。为避免因环境因素引起的小范围温度上升的误报警情况，在程序中设定：当温度在15 min内持续高于27 ℃时，才认为达到报警条件。从图中可以看出，随着温度的不断上升，达到设定值27 ℃后继续观察15 min，仍满足条件后，STM32F103C8T6（ZET6）发出一个高电平的脉冲信号给蜂鸣器，此时衣柜开始响应，实现自动报警功能。

图4 智能衣柜温度测试数据

同理，当湿度达到70%，并在此后的15 min内仍旧大于70%时，单片机发出高电平，蜂鸣器响应报警。测试效果如图5所示。

图5 智能衣柜湿度测试数据

当衣柜发出报警时，提醒人们通风干燥，至温湿度持续低于设定值时发出低电平信号，报警停止。停止状态与响应状态过程类似，在此不做赘述。

5.2 超声波测距曲线

为了保证智能衣柜的安全性，测试衣柜能否在有人突然出现在储物柜下方时紧急制动，进行障碍物模拟实验，如图6所示。

图6 不同制动距离下的曲线

图6（a）为衣柜下降过程中与下方障碍物的间距变化曲线，设置衣柜初始高度为65 cm；图6（b）为障碍物高度变化曲线，初始高度为0 cm（无障碍物）。

在4 s时人为添加一个25 cm的障碍物（模拟人类），可以看出柜体下方与障碍物之间的距离急剧减小，间距由超声波测量后返回给单片机，至距离障碍物10 cm处电机停止运行并报警，衣柜不再下降，实现了检测到障碍时紧急制动的功能，保证了使用者的安全。

6 结 语

本文设计了一种可检测温湿度的智能衣柜，通过相对简单的机械结构实现电机带动绞盘控制衣柜运动，利用传感器采集各项数据传回主控进行分析，进而控制衣柜的不同响应，实现衣柜的多功能化，例如：对空气温湿度的实时检测及显示；在柜体内部环境不良时发出报警；智能控制柜体的运动，实现对危险距离的判断及紧急制动。