【毕业设计】基于机智云的智能晾衣控制系统

Android手机是人机交互终端STMicroelectronics STM32F103C8T以机智云 为核心控制终端物联网平台设计了一套嵌入式智能控制系统，用户可以通过互联网有效地操作家里的衣架，避免了人们不在家时衣服被弄湿的问题。

STM32F103C8T6单片机是核心控制器，通过光强传感器、雨滴传感器、温度传感器、湿度传感器收集环境数据，然后通过PWM通过控制电机的运行状态，将衣架伸出阳台或收回阳台。同时，通过 esp8266WiFi通过模块上传到机智云服务器，用户端通过APP该状态可以实时获得，用户可以在自动控制和手动控制之间任意切换，实现对整个系统的有效控制。图1为智能干衣控制系统的原理框图。

STMicroelectronics公司生产的cotex-M3系列的STM32F103C8T6微控制器。它有20多个KB的SRAM及64KB闪存程序存储器能完全满足系统的控制要求；功耗低，工作电压3.3 V,能有效驱动大部分现有模块设备，适用于嵌入式控制端；

GPIO口及各种常用外设，如：UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter,通用异步收发传输器)，SPI (Serial Periphera Interface, ，I2C (Inter-Integrated Circuit, ，定时器，AD、DA能与各种传感器交互良好的

MHz晶振组成的振荡电路输入微控制器，STM32F103C8T6再通过PLL (锁相环) 频率为72 MHz作为系统时钟，通过分频为外设提供不同的时钟。

2.2 环境数据采集模块

DHT11温湿度传感器模块NTC温度测量元件很好地集成到温湿度传感器中，并由嵌入式微控制器分析感湿元件和温度测量元件收集的数据。DHT11湿度精度为±5%RH,温度为±2℃,检测到的环境温到的环境温度和湿度DATA以数字形式向外输出数据引脚。STM32F103C8T在6微控制器的硬件连接中，需要温湿度传感器DATA引脚通过5kΩ为了提高驱动力，驱动力。如图2所示

TSL2560传感器获取。作为性能优异的第二代周边环境光强度传感器，可以为烘干控制系统收集足够精度的环境光强度数据。其内部结构框图如图3所示。通道0和通道1连接光敏二极管，其中通道0的光敏二极管可以敏感地感知可见光和红外线，而通道1只能敏感地感知红外线。通过光敏二极管的电流通过积分式A/D转换器的积分,被转化成了数字量,并且,转换结束后其结果被存入相应的寄存器中。整个积分、转换过程完成后,A/D下一个转换过程将重复积分转换器。STM32F103C8T6可通过I2C总线协议访问其寄存器以获得光强度。

TSL内部结构图2560

AO模拟量输出口输出雨滴收集板上的雨滴量对应的模拟值,将其AO口与STM32F103C8T6的AD输入引脚连接，通过AD转换后的数字量可以获得雨滴数据。

2.3 电机驱动电路

STM32F103C8T6用脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation,PWM) ，控制直流电机。PWM与模拟电流控制相比，控制模式具有功耗低、抗噪能力强等特点。PWM信号由STM32F103C8T6的GPIOA0引脚输出，输入电机正极，微控制器GPIOA1引脚与电机负极连接，控制电机正反转。GPIOA当1引脚向外输出低电时，控制器生成PWM信号使电机正向运转，反之亦然GPIOA1当引脚输出高电时，电机反向运行，以控制衣架的伸出和回收。

2.4 WiFi通信电路

通信模块由乐信公司开发ESP8266无线Wi Fi该模块高度集成射频balun、天线开关、过滤器、低噪声放大器、功率放大器和电源管理模块嵌入32位TensilicaL106单片机最高可达160MHz时钟下有16位RSIC和极低的运行功耗。实时操作系统可以使用，只有20%MIPS被它的Wi Fi使用协议栈时，用户可以开发和编程剩余的80%。

通过配置寄存器，还可以实现深度睡眠模式、睡眠模式和激活模式三种不同的操作模式，从而更好地控制其功耗。STM32F103C8T6的UART1与ESP8266模块进行数据交互，实现数据从控制端上传到智能云平台的服务器，并从智能云平台服务器获取相应的控制信息。

33 智能控制系统软件设计

3.1 控制程序设计

控制程序将采用FreeRTOS实时操作系统, 该系统是一个轻量级的、可抢占的实时操作系统, 提供了任务管理、互斥锁、信号量、消息队列等功能, 任务由系统轮询进行调度, 分别具有就绪态、运行态、挂起状态等。每个任务都具有优先级, 当系统调度时, 已经处于就绪态的高优先级的任务会优先被系统调用执行,从而保证了紧急任务的实时性。本系统的流程框图如图4。

图4 系统流程图

当控制板开机运行时,首先执行FreeRTOS实时操作系统的初时化,紧接着初始化各个外设, 然后将系统运行的任务创建出来,最终执行任务,此时,FreeRTOS实时操作系统会根据设定的参数,对任务进行相应的调度执行。其中,通信协议处理任务为最高优先级,它负责处理从机智云服务器端接收到的请求, 包括心跳、控制指令、系统状态查询、重启MCU、在线升级等。

对于外设的控制,需要根据其datasheet来编写相应的驱动实现对其正确的访问控制[4]。

对于对时序要求较高的模块(如DHT11温湿度传感器模块)进行控制时,本控制系统在操作该类前, 让FreeR-TOS进入临界量状态 (关闭所有中断),以保证时序的准确性。执行完成后,需要退出临界量状态,使系统恢复至原状态,才能实时响应外界中断。

3.2 机智云物联网平台设置

机智云平台提供了面向控制端及Android手机APP的应用程序编程接口 (Application ProgrammingInterface, API) ,开发者能够很轻松地进入机智云平台的开发者中心, 添加本控制系统的外设的设备节点,平台则会自动生成相应的通信协议, 按照此通信协议, 即可与机智云平台进行数据交互, 从而达到通过Internet即可在远程对本晾衣系统进行方便的控制。图5是在机智云物联网平台后台获取到的设备运行数据情况。

图5 服务器后台数据

3.3 手机APP程序设计

手机APP端采用机智云物联网平台提供的SDK包进行二次开发, 开发者只需对Active进行修改[5], 即可为用户提供友好的界面, 提高用户体验。在需要提供额外后台功能时, 可对后台进行改动。图6为本系统开发的APP界面。humi后面的数值表示控制板上传的环境湿度, temperature后面的数值为环境温度, light为光强, 三者都为只读状态,由控制板上传数据。

motor开关为晾衣控制开关, 当处于开启状态时, 晾衣架将伸出, 关闭时, 晾衣架将在电机控制下缩回。is_automatic为自动手动切换按钮, 开启时, 控制板将自动根据环境数据进行判别,决定是否晾衣,关闭时,为手动模式,可由用户进行控制。

图6 APP界面图

4 结论

本晾衣控制系统依托机智云AIoT平台, 通过Android手机APP与用户交互, 以STM32F103C8T6为控制板主控芯片, 实现了通过Internet网络对家中的晾衣架控制系统的有效控制, 具备自动、手动两种模式, 纵使用户身在异地, 依然能够对家中的晾衣架进行控制, 使得衣物免遭雨淋。

并且一旦控制端与网络失去连接, 该系统将自动切换至自动控制模式, 保证了系统的安全性与稳定性。经过测试, 系统控制效果良好,能实时地响应用户端的控制指令来驱动电机,环境数据采集准确。手动模式下实时性高, 自动模式下自动分析控制准确, 满足日常使用。断网测试时, 能正确执行异常处理, 切换至自动模式。