多功能晾晒系统的设计

第一章绪论1.1研究背景全球城市化进程光速发展，我国城市与乡村居民呈现大散居，小聚居，交错杂居的居住模式。依据中国住建部所提供的数据说明，在2024年的时候，全国城镇人均住房建筑面积达到了38.2平方米，相较于2015年增长了12.3%，然而户均住房面积增速却放缓到了1.8%，阳台空间被压缩到3至5平方米成为了一种普遍的状况，传统的开放晾晒方式像是阳台挂晒、外伸衣架等，占用有限的空间，还因为梅雨季节像长江流域年均降雨量在1200mm以上，致使衣物出现霉变、晾晒周期变长等问题REF_Ref22817\r\h[1]。按照中国家用纺织品行业协会的调研，76%的城市家庭存在晾晒空间不足的困扰，其中52%的消费者愿意为智能化晾晒解决方案支付溢价。随着科技不断向前发展，国内外智能家居市场呈现出爆发式的增长态势，有相关报告说明，在2024年，中国智能家居设备市场规模出现急剧扩大，其年复合平均增长率大约为20%，而智能晾衣架作为智能家居领域中的一个细分部分，其渗透率从2020年的7%提升到了2024年的28%。然而，目前现有的产品普遍存在问题，比如功能比较单一化，仅仅支持伸缩或者烘干这两种功能，环境适应性比较弱，主要依赖手动操作，能源效率也比较低，日均能耗达到了1.2kWh等REF_Ref22971\r[2-3]。比如，在无锡市2024年梅雨季期间，传统智能晾衣架因没有集成湿度传感器，导致出现过度烘干的情况，这使得用户投诉量同比上升了41%。国家“十四五”规划清晰地提出了“建设智慧家庭”以及“碳达峰碳中和”这两项战略目标，为多功能晾晒系统的创新给予了政策方面的引导方向，《智能家电标准体系建设指南》规定家电产品要整合环境感知、自适应控制等功能，而《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》倡导太阳能、空气能等清洁能源技术在家居领域给予应用。在这样的背景状况下，研发那种集智能烘干、紫外线杀菌、空间收纳、能源管理等多种功能于一体的多功能晾晒系统，成为了解决城市居住痛点、推动绿色家居产业实现升级的关键发展方向REF_Ref23052\r[4-6]。1.2研究目的与意义科技革新正以前所未有的态势重塑人类文明，智能技术深度融入人们日常生活场景，推动人居品质实现质的飞跃REF_Ref23150\r[7]。在智能化浪潮中，多功能家居系统通过整合物联网与人工智能技术，有效的优化了群众生活效率，提供大量便利，减少不必要的时间浪费，更为现代人创造出高密度的可支配时间价值REF_Ref23232\r[8]。围绕日常生活的关键要素来看，“衣”作为基础生活需求的关键维度，其管理方式正发生着革命性的变化，在农村以及城市当中，人们一般习惯于把需要晾晒的衣物放在阳光下晾干，不过有时候晾晒期间会外出，要是天气不好，像下雨、刮台风或者出现其他紧急状况时，传统的晾晒方式可能会让干净的衣物再次被雨水打湿。当下空气污染颇为严重，在一些重工业发达的区域，雨水中含有诸多灰尘、酸性物质以及其他有害物质，因此本文提出了一种基于STM32单片机的多功能晾晒系统，这个系统能有效解决传统晾晒方式面临的问题，给用户带来便捷且高效的晾晒体验，提高人们的生活质量。系统拥有灵活的操控模式，用户能借助手动按键轻松实现衣架的开启与关闭操作，也能依靠系统内置的环境感知模块，根据实际环境情形，自动触发衣架的伸出和收回动作，无需人工参与，达成智能化、自适应的晾晒过程，解决无人在家时晾晒的衣物被雨水淋湿的问题，让晾衣架变得更具智能性REF_Ref23314\r[9]。借助OLED显示屏，周围环境的温湿度、光照强度等各项关键参数得以清晰呈现，采用直观可视化的形式，可使用户对系统当前状态有清楚的了解，凭借Wi-Fi模块与手机端相连接，这方便了用户在手机端借助设定参数阈值的方式来远程控制衣架的伸出与收回REF_Ref23385\r[10]。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状多功能晾晒系统所属的智能家居的概念起源很早，但一直未有具体的案例出现。直到1984年美困联合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康涅狄格州（Connecticut）哈特佛市（Hartford）的都市办公大楼时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕REF_Ref23451\r[11-13]。在自适应晾晒算法领域，欧美一些品牌像德国的Leifheit以及意大利的Candy等，推出了配备环境传感器的产品，这些产品可依据温湿度状况以及光照强度，自动对晾衣架的高度和角度加以调节，同时借助机器学习来优化晾晒时间，在物联网平台整合方面，韩国的LG智能晾衣架可接入ThinQ平台，达成与洗衣机、烘干机的联动效果，自动推荐最佳晾晒模式。德国西门子公司所提出的SieNeuro智能家居系统，是采用AWS技术和服务进行开发的，其中包含智能开关、智能插座、温控器、感应器等八个品类，有超过20款智能硬件产品，并且凭借云端后台以及手机APP来提供功能服务REF_Ref23545\r[14]。日本Panasonic所生产的智能晾衣架集成了UV-CLED模块，可在衣物晾晒的过程当中对细菌以及过敏原起到灭活的作用，有健康和安全方面的功能，美国谷歌公司推出的GoogleHome、亚马逊公司的Echo智能音箱，以及美国苹果公司的HomePod智能音箱等等[15-16]，市场上领先的智能家居设备众多，这些智能家居系统产品功能较为丰富，涉及家庭智能控制、智能传感、智能照明等诸多领域，给用户给予了便捷的家居电气控制途径，而且这些系统操作并不复杂，不管是在家中还是外出旅行，只要连接网络并打开相应APP，用户便可随时查看家中情况，还可以进行远程操控。它们支持多种语言，方便世界各地的用户使用，虽说这些智能家居系统功能很强，但主要针对有一定经济实力的用户群体，定位是高端家居市场，这些系统一般需要定制设计与开发，价格偏高，普通家庭不太容易普及[17]。1.3.2国内研究现状智能家居在我国的普及相对较晚，至今已发展了大约30年。大约在1995年，智能家居的概念首次被引入我国，并开始在深圳、上海等较为发达的城市中传播和发展。国内高校（如浙江大学、华南理工大学）与企业（如好太太、晾霸）合作研发多传感器融合技术，并结合温湿度、光照、雨量数据，完成环境感知与自适应控制，实现晾衣架自动伸缩与模式切换REF_Ref23758\r[18]。通过机器学习预测天气变化，华为与海尔合作的AI晾衣架，接入气象局的API接口实现降雨预警。广东奥科特企业研发太阳能+锂电池的户外晾衣架，满足无电网场景需求，成功实现新能源节能技术REF_Ref23807\r[19]。奥维云网中写到“2022年国内智能晾衣架市场规模超80亿元，渗透率约15%，一二线城市达25%，市场规模急速增长；主力消费群体为25-40岁的新中产家庭，较关注智能化与健康功能REF_Ref24306\r[20]”。传统家电例如海尔、美的通过全屋智能生态切入晾晒市场。垂直品牌中好太太市场占有率约30%，晾霸、邦先生等品牌专注于细分领域。新兴崛起的互联网品牌中，如小米和华为，小米通过构建生态链爆款延续性价比优势，2025款米家智能晾衣架Pro支持UWB超宽带定位，可与小米手环联动实现"运动装备自动晾晒"场景。美的以"智慧晾晒+空气管理"双轮驱动，其Colmo高端系列配备空气质量传感器，可联动空调、新风机调节室内微气候，打造"阳台生态系统"。小家电巨头九阳以"厨房生态"为跳板，推出搭载热泵烘干技术的晾衣架。其独创的"57℃恒温护理程序"，专为羊毛、真丝等娇贵材质设计，在AWE展会上获得德国红点设计奖。1.4论文的主要研究内容为实现对于光照强度、温湿度和雨水的实时监测，并及时控制多功能晾晒设备伸出和收缩等要求。此设计分为硬件及软件两大部分分别进行研究。首先硬件部分的第一步是对于STM32芯片的选型，根据晾晒系统实时伸出与收回的基本要求，选用STM32F103C8T6微控制器。它具有高性能，工作频率高，可进行实时数据采集和高速的数据运算，低功耗且易于开发。其次是对于光照强度、温湿度检测模块，以及雨水检测模块的搭建。关于光强，选用的是BH1750GY-30传感器模块，其具有体积小、量程宽、精度高、低功耗等优点REF_Ref24385\r[22]。对于温湿度检测模块，选用DHT11传感器模块。DHT11模块具有一体化设计、单总线接口、低成本等特点，使用方便，成本较低，可进行温度测量和湿度测量，常应用于智能家居、农业养殖、气象观测、仓储物流等场景。在雨水检测工作当中，所选用的是雨滴传感器模块，该模块有高灵敏叶面这一特性，其表面还镀有镍，可起到抗氧化的作用，凭借这些优点，它可应用于多种环境场景变化的检测工作，之后将检测结果转化为数字信号以及AO输出REF_Ref24470\r[23]。为利于数据进行传输，WiFi模块属于必不可少的部分，对于WiFi模块的选择，要符合实际情况，本设计所选用的是ESP8266串口WiFi模块，其有高集成度、体积较小、功耗较低以及支持多种网络协议等优点，可方便地达成与互联网的连接。针对软件系统而言，首要任务是达成对传感器数据的实时采集以及准确处理，借助编写相应的驱动程序以及数据处理函数，针对光照强度、温湿度、雨滴等各类传感器数据展开读取、滤波以及转换操作，把这些数据转变为实际的物理量值，与预先设定的阈值给予比较[24]，例如，光照强度数据方面，判定其是否处于适合衣物晾晒的阳光强度范围之内，要是低于某一阈值，便收回装置，等候适宜环境进行晾晒，对于湿度数据，倘若高于设定的干燥湿度值，就开启辅助烘干功能。。在自动控制算法领域，要依据数据处理得出的结果，由软件系统来执行对应的自动控制算法，一旦检测到下雨情况，便控制电机把衣架收回到室内，并且可借助手机APP向用户发出提醒，而在光照强度以及温湿度都较为适宜的时候，就控制衣架伸展到室外，以此保证衣物得以晾晒。自动控制算法还得考量系统的节能与安全问题，防止出现不必要的能源消耗以及设备损坏状况[25-26]，比如在烘干功能运行了一段时间之后，再次对湿度进行检测，要是已经达到了干燥的要求，那就自动将烘干装置关闭。借助用户交互以及远程控制算法来提升用户体验，经由Wi-Fi无线通信技术，用户可借助手机APP或者遥控器对衣架展开操作，软件系统达成了与这些无线通信模块的连接以及数据传输，接收用户发出的指令并且把衣架的状态信息反馈给用户，比如用户可凭借手机APP远程操控衣架的伸出与收回动作、开启或者关闭烘干功能以及查看当前环境的温湿度以及光照强度等信息，体验智能化的晒衣服务REF_Ref24701\r[27]。

第二章系统总体设计方案2.1系统功能需求分析本文所提出的设计方法应当契合如下用户核心需求：1、智能化控制，借助先进传感器技术对周边环境状况展开实时监测，像温度、湿度、光照强度以及降雨情况等都在监测范围内，依据这些监测所得数据，它能凭借智能方式决定晾衣架何时展开，又在何时收回，以此保护衣物免受恶劣天气影响，这种自动化控制机制提升了使用便捷程度，还保障衣物能获得适宜晾晒条件。2、远程交互方面，此晾晒系统设有先进的远程交互系统，用户可借助智能手机上的专用APP，随时查看晾衣架当下的状态，而且用户还可远程操控晾衣架的展开以及收回，以此适应不一样的晾晒需求，这种远程控制功能较大提升了用户的使用体验，让晾晒衣物变得更为灵活便捷。3、本系统在设计方面着重关注环保与节能，选用了低功耗的电子元件以及高效能的驱动系统，如此设计减少了能源消耗，降低了运行成本，还对环境保护起到了积极作用，依靠减少不必要的能源浪费，本系统在提供便利之际，也体现出对可持续发展理念的支持。4、适应性需求：设计过程中全面考量了不同用户的多样需求，不管是处于多变的天气状况下，还是面对各类不同的衣物，均能呈现出出色的适应性，无论是雨天、夜晚亦或是烈日暴晒之时，本系统借助智能控制机制，可保证衣物得到恰当晾晒，营造出最佳晾晒环境，契合各种衣物的晾晒需求。从功能实现上来看，具体包括以下部分：环境感知模块：对环境参数进行实时采集：利用DHT11传感器获取温湿度信息，借助BH1750传感器测量光照强度，依靠雨滴传感器来检测雨水情况，这些传感器可对周围环境变化展开持续监测，为智能晾衣架提供精准的环境数据。2、数据异常阈值设定方面，举例来说，当湿度超过百分之八十这个数值的时候，系统就会自动触发防雨模式，目的在于保护衣物不受到雨水的侵害，而当光照强度低于一百勒克斯的时候，系统便会判定为夜间模式，以此来避免在夜间对用户产生干扰。3、执行控制模块借助步进电机对晾衣架的伸缩给予控制，并且支持正反转调节，凭借该功能，晾衣架可依照实际需求进行伸出以及收缩的操作，用户可依据自身喜好来调节电机的运行速度。4、人机交互模块采用OLED屏幕，可实时展示温湿度、光照以及设备状态等各类信息，借助该屏幕，用户可直观知晓当前环境状况与设备工作状态，还可凭借按键实现OLED屏幕页面的切换以及参数阈值的设定，用户依据自身需求，凭借手机APP机智云，可选择让智能晾衣架自动运行或者手动控制，这为用户给予了较高的便利性与灵活性。5、通信模块当中，ESP8266模块负责连接云端服务器，达成手机APP远程控制的目的，依靠此项功能，即便用户不在家中，也可借助手机APP对智能晾衣架实施远程操控，以此来管理衣物晾晒事宜，切实提高了生活的便捷程度，借助Wi-Fi模块的通信功能，用户还可实时获取智能晾衣架的状态更新。这种即时的双向通信能力，提高了用户体验，提升了智能设备的实用价值，让智能晾衣架不再仅仅是单纯的晾晒工具，而成为了可与用户展开互动的智能生活助手。多功能晾晒系统与传统晾衣架相比的具体优点如下表2-1所示。表2-1传统晾衣架与多功能晾晒系统对比对比维度传统晾衣架多功能晾晒系统创新点分析核心功能手动伸缩、天然基础晾晒自动伸缩控制，借助风扇烘干引入自动化与物联网技术，实现无人值守和智能决策。控制方式机械手柄/拉绳1.自动控制：基于传感器环境数据自动收放。2.手动控制：手机APP、本地按键多模态交互（自动+远程），突破空间限制，提升用户体验。环境适应调节依赖人工判断天气传感器感应天气状况实现伸缩通过多传感器融合，实现复杂天气条件下的自适应调节。能耗与环保无需供电低功耗设计在智能化基础上优化能耗，支持绿色能源接入。用户交互无交互界面1.本地OLED屏实时显示环境数据2.APP远程检测修改阈值提供可视化，远程多通道交互，增强信息透明度和操作便利性。2.2系统架构设计2.2.1整体设计框图系统控制总体框图如图2.1所示。通过一系列传感器，包括光照传感器、雨滴传感器、红外传感器以及温湿度传感器，来感知外界环境的细微变化。用户可以通过按键来设定光照强度、雨滴感应值、温湿度阈值，以及使用手机APP端选择手动或自动模式。通过单片机进行参数设定的处理，并驱动步进电机，从而实现衣架的自动伸缩功能[27]。图2.1系统总体框图2.2.2软件架构设计该系统采用分层设计方式，如此一来便于后续开展维护与升级工作，同时还可兼容不同的硬件单元，整个系统具体分为三层，分别是硬件抽象层、中间件层以及应用逻辑层，另外还配备了一个实时操作系统，用以协调不同的任务REF_Ref24852\r[28]。具体来说：1.硬件抽象层，它会把硬件的操作都给予封装，同时为上层程序提供一个统一的接口，以此减少各个模块间的依赖，举例来说，传感器借助IIC总线采集光照以及温湿度数据，利用雨滴传感器检测降雨状况，红外传感器用于识别障碍物，电机的正反转借助PWM信号来进行控制，就如同晾衣架的伸出和展开机制那样。高低电平信号用以控制继电器，对排风系统进行管理，OLED屏幕用于展示实时数据，并且处理按钮输入。2.中间件层：在整个系统架构之中，这一层承担着整合系统服务以及通信协议的关键职责，为处于上层的应用程序给予支持，其主要覆盖四类任务，分别是收集传感器数据、依据相关条件进行自动决策、及时更新用户界面、以及开展网络通信工作，并且借助MQTT协议实现设备与手机APP之间的连接。3.应用逻辑层：这一层主要负责处理规则以及与用户进行交互。比如说，当光照强度很强同时湿度也较大的时候，就要将衣架收回，要是湿度以及光照强度都小于预先设定的阈值，同样也需要让衣架收缩，该层依靠实时接收最新的数据来判断是否需要对衣架进行伸缩操作，控制电机开始运行工作REF_Ref24917\r[29]。

硬件设计该系统控制模块采用STM32F103C8T6型单片机，周围环境温湿度的检测采用温湿度传感器DHT11，光照度的检测选用GY-30传感器模块，衣架伸缩部分使用步进电机驱动，电机逆时针旋转表示衣架收回，顺时针即为衣架伸出。烘干部分通过继电器使用USB5CM风扇，人机交互显示系统使用0.96寸蓝色OLED模块/4P，上位机使用ESP8266串口Wi-Fi模块CH340开发，检测距离模块使用红外寻迹避障传感器模块。3.1主控芯片本设计所选用的主控芯片为STM32F103C8T6型，其采用LQFP48封装，具有48个引脚。其中电源引脚为VDD为芯片提供正电源，通常接3.3V电压；VSS为接地引脚。时钟引脚OSC_IN和OSC_OUT用于连接外部晶振，为芯片提供主时钟源，MCO为微控制器时钟输出引脚，复位引脚为NRST，低电平有效REF_Ref24979\r[30]。该芯片实物图如图3.1所示。图3.1STM32F103C8T6芯片实物图此芯片所具有的性能优势有：1.Cortex-M3内核，72MHz主频，满足实时控制需求（如电机调速、传感器数据采集），适合复杂逻辑运算，可储存多任务控制程序及传感器数据处理算法REF_Ref25031\r[31]。2.低成本，支持keil等工具，缩短开发周期，外围电路简化，减少外部元器件数量，降低PCB设计复杂度。3.丰富外设接口：灵活适配多种硬件，模拟信号处理可支持高精度模拟信号采集。4.强大的开发生态与资源支持。STM32F103C8T6芯片原理图与PCB板如下图3.2与3.3所示。 图3.2STM32F103C8T6芯片原理图图3.3STM32F103C8T6芯片PCB板3.2温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，其采用单总线数据格式，易于实现与微控制器的通信，具有布线简便，直接输出数字信号，低功耗且成本低廉的特点REF_Ref25524\r[32]。该传感器内部集成了一个电阻式感湿原件和一个NTC测温元件，分别对环境湿度和温度进行感知。感湿与测温元件会随着环境湿度和温度的变化而改变电阻值。通过内部的电路将这些电阻变化转化为数字信号，按照特定的通信协议输出给外部设备。实物图片如下图3.4所示。图3.4DHT11温湿度传感器实物图DHT11传感器经工厂校准，可输出串行数据，data引脚连接到MCU的I/O引脚，并且使用5K的上拉电阻。此数据引脚以串行数据的形式输出温度和湿度值。应用电路如下图3.5所示。图3.5DHT11应用电路工作原理图如下图3.6所示。图3.6温湿度传感器工作原理图3.3红外传感器从有行人经过时的安全性考虑，所选用的传感器模块需要对环境光线适应能力强。因此，选择如下图2.7所示的HC-SR501型号红外传感器，其配备一对红外发射和接收管。发射管会发出特定频率的红外线，当光线遇到障碍物（即反射面）时，接收管捕捉到反射信号。经过比较器电路的处理，绿色指示灯会亮起，并且信号输出接口会输出相应的数字信号。该传感器的有效检测距离为2-30厘米，工作电压范围为3.3V至5V[33]。探测距离可以通过电位器进行调节，它还具备强大的抗干扰能力、易于装配以及使用便捷等优点，使其能够广泛应用于多种场合。。图3.7红外传感器实物图这款传感器模块有着宽电压输入范围的设计，其支持从3.3伏特至5伏特的电压输入，拥有自动电平匹配功能，可较为轻易地和各种不同类型的微控制器系统实现兼容，该模块的公共接地端GND设计成外接GND，采用低阻抗设计方案，以此保证信号传输的稳定性与可靠性，数字信号输出端OUT能提供标准逻辑电平输出，也就是逻辑0与逻辑1，让数据的读取和处理变得简单明了。借助参考图3.8所示的模块工作电路图，可直观了解该模块的工作原理。图3.8红外传感器电路图3.4光照传感器所使用的光照传感器选用GY-30型号，用的是BH1750芯片的数字光照传感器，主要用于测量环境光线强度，其在物联网、智能家居、自动化控制等领域广受欢迎。主要优点有：1.直接输出数字信号（通过I2C接口），不需要再把模拟信号转化成数字信号，简化了电路设计，并且支持I2C通信协议，与Arduino、树莓派等微控制器兼容性强，开发便捷。2.该测量有较为广泛的范围，其分辨率也处于较高水平，适合用于精细程度较高的光线强度检测工作当中。3.该设备有很强的抗干扰能力，它借助数字滤波技术来降低环境干扰，实物图以及工作原理图分别呈现于图3.9和图3.10当中。该系统之中配备了智能光感检测单元，此单元由光敏电阻以及集成运算放大电路共同构成，可精确测量光线强度并及时给予反馈，该单元有动态阈值调节功能，当环境光照强度低于预先设定的阈值时，模块的数字输出DO端会输出逻辑低电平信号，一旦光照强度超过设定的阈值，DO端便会输出高电平信号。微控制器借助中断触发机制来捕捉端口状态变化，并结合自适应控制算法达成晾晒系统的智能调节REF_Ref25626\r[34]。图3.9光照传感器实物图图3.10光照传感器工作原理图3.5电机驱动模块 本设计使用ULN2003芯片所驱动的5V四相五线步进电机28BYJ-48，也可控制继电器、LED阵列等感性负载。内置续流二极管，可保护电路免受反电动势损坏。支持直接连接微控制器GPIO。具有多通道集成，7路独立驱动通道可同时控制多个设备，减少电路复杂度，同时通道并联，可提升单路驱动能力。该步进电机控制方法如下表3-1所示。表3-1步进电机控制方法StepIN1IN2IN3IN41100021100301004011050010600117000181001正转：按顺序1-2-3-4-5-6-7-8循环反转：按顺序8-7-6-5-4-3-2-1循环注意事项有：1.电源匹配：确保电机电压与ULN2003供电电压一致，大功率电机需要独立供电，避免过载。2.散热问题：长时间工作可能发热，建议加装散热片或间歇运行。实物图如3.11所示。图3.11步进电机实物图UNL2003驱动步进电机的工作原理是通过其内部的达林顿管阵列放大控制信号电流，配合外部电路形成步进电机各相绕组的通断逻辑，从而驱动电机按预定步序旋转。具体工作原理图如下图3.12所示。图3.12步进电机工作原理图3.6雨滴检测模块雨滴传感器是一种基于湿度变化原理的传感器。它通常由导电材料和电路组成。当雨水滴落在传感器表面时，导电材料会因湿润而发生电阻变化，进而改变电路中的电流或电压。通过这种测量流程，就可以根据数据的变化来反映当下是否正在下雨。在这个过程当中，DO引脚可是用来检测周围是否存在雨水。如果检测到了雨水，就会发出指令，输出高电平，相反，引脚检测不到雨滴时，就会一直保持低电平的状态。此外，传感器的AO引脚，其主要功能是输出设备模拟的信号，通过模拟出信号的结果来反映当前下雨大小的具体情况REF_Ref25681\r[35]。工作原理图如图3.13所示。图3.13雨滴检测模块工作原理图该雨点检测模块具有结构简单，高性价比等特点，通过显露在电路板上的平行线路和有无液体的接触来测量是否正在下雨，是否检测到雨量。VCC：电源正极接口，可外接3.3~5v供电电源GND：电源负极接口，可外接电源负极或地线（GND）DO：数字信号输出接口（0和1），可外接单片机的GPIOAO：模拟信号输出接口，可外接单片的ADC采样通道，实物图如图3.14所示。图3.14雨滴检测模块实物图3.7人机交互模块选用成本低廉，但是性能高的Wi-Fi模块ESP8266，其广泛应用于物联网和嵌入式系统中。集成度高，内置Wi-Fi和TCP/IP协议栈，无需额外网络芯片即可实现联网功能。实现人机交互通常需要结合按钮和输出设备OLED显示屏。ESP8266模块的工作原理图与独立按钮的工作原理图如图3.15和图3.16所示。图3.15ESP8266模块工作原理图图3.15独立按钮工作原理图ESP8266模块尺寸为5x5mm，模组需要的外围器件有：10个电阻电容电感、1个无源晶振、1个flash。工作温度范围：-40~125℃，具体实物图如下图3.16所示。 图3.16ESP8266模块实物图

软件设计4.1编程软件介绍所使用的编程软件为KeilMDK-ARM，是由ARM公司开发的集成开发环境（IDE），专为ARMCortex-M系列微控制器设计，广泛应用于STM32.该工具链涵盖代码编写、编译调试、硬件仿真等全流程，成为传统嵌入式领域的主流开发方案之一。其内置了μVisionIDE，可支持多工程管理以及跨文件协作，还提供了如语法高亮、代码自动补全等辅助功能，编译器是基于ANSIC标准进行扩展的，针对芯片架构对指令集加以优化，生成高密度机器码，同时也能兼容位寻址、SFR寄存器等硬件特性操作。编译之后可直接生成HEX/BIN格式的固件，有Flash加密与校验功能，还提供了标准函数库，其中包含数学运算、数据转换等内容，以及外设驱动参考代码，可加快开发的进程，资源占用比较低，生成的代码体积相较于传统汇编开发缩小了30%-50%，适用于小容量Flash芯片。有跨版本兼容的特性，可支持从经典的80C51到现代提高型内核，比如STC32系列，软件界面如图4.1所示。图4.1Keil软件界面4.2上位机机智云平台概述机智云平台，由机智云物联网公司凭借多年深耕行业和对物联网领域的深刻洞察力所打造，是一个面向个人和企业开发者的全方位智能硬件开发及云服务平台。该平台集成了从产品定义、设备端开发调试、应用开发、生产测试、云端开发、运营管理到数据服务等全方位功能，全面覆盖智能硬件从接入到运营管理的全生命周期服务。机智云为开发者提供了便捷的自助式智能硬件开发工具和开放的云端服务。通过简化自助工具、完善的SDK和API服务，机智云极大地降低了物联网硬件开发的技术难度，减少了开发者的研发开支，加速了产品上市进程，助力开发者实现硬件智能化升级，更有效地连接和服务最终用户[36]。如图4.2所示。图4.2机智云平台概述4.3多功能晾晒系统控制流程系统整体控制流程如图4.3所示。系统通电后会对参数等进行初始化，并判定是否自动模式。当系统处在自动模式下，可自动检测周围环境情况，并通过OLED屏幕显示环境参数。设定检测雨滴值为第一优先级，若所检测到的雨滴量大于雨滴阈值时，本系统直接完成衣架的收回动作（电机逆时针旋转），并通过继电器打开排风系统；其次，当所检测到的雨滴量小于阈值时需进行红外感应的检测，当红外检测模块感应到有行人或物品的经过则立即收回衣架，若无人或物体经过则进入下一步湿度的判定；当湿度参数大于湿度阈值则收回衣架并且打开风扇，反之进行光照强度的参数判定；当光照强度大（视为白天）则伸出衣架（电机顺时针旋转），若光照强度小于阈值（视为夜晚）则进行最后一级温度的判定，当温度大于温度阈值时则伸出衣架，否则收回衣架。若判定为手动模式，则可以通过屏幕所显示的实时参数对衣架和风扇进行手动的伸缩与开闭。图4.3多功能晾晒系统流程图4.4温湿度模块软件设计温湿度模块的软件设计如下图4.4所示。首先上电DHT11并初始化，发送开始信号，等待响应，进入主循环。循环里应定时读取温湿度，这是由于DHT11的采样周期不能太快，如间隔两秒。读取数据时，STM32主控芯片发送开始信号，DHT11接收40位数据，需校验数据是否正确，若校验错误则重新读取。然后处理数据，转成实际数值。在OLED显示屏或手机APP端显示，比如湿度20-90%，温度0-40%。处理完数据后，根据所预设的阈值进行判断，比如湿度超过50%，则收回衣架，防止“回南天”且打开排风烘干系统。若湿度小于所设阈值，则进行光照参数与阈值大小的判定，当光强小于所设阈值，衣架将收回，反之进行温度与其设定阈值的判断。当温度大于温度阈值时，衣架伸出，温度小于温度阈值时，衣架收回，结束运行。图4.4温湿度模块软件设计4.5红外模块软件设计红外传感器模块的设计流程图示于图4.5，系统初始化完成之后，红外传感器接着进行初始化，而后进入其模块的主循环，当红外感应传感器检测到有人靠近时，会向STM32单片机发送一个低电平信号，这时系统要赶快收回衣架以防止碰撞行人，单片机接收并处理数据后，把信息传至显示屏或者手机APP界面。要保证系统的响应时间够快，以免处理延迟导致事故，主循环的延迟时间应恰当设定，像每10毫秒检测一回，以保证电机控制的实时性。图4.5红外传感器检测模块流程图4.6光照模块软件设计该系统的光照模块设计流程图如图4.6所示。多功能晾晒系统通常放在阳台或户外，所以光照传感器可以检测到光照是否充足。当湿度小于湿度阈值时再判断光强，如果光照足够，系统则自动伸出衣架，让衣物晒到太阳。若光照不足或者到了晚上，进入到温度模块检测判断衣架的伸出和收缩。另外，需要注意系统的安全性和稳定性，比如在光照数据波动时的滤波处理，避免频繁误触发。 图4.6光照模块设计流程图 4.7雨滴模块软件设计雨滴检测模块是该系统的核心传感器之一，用于实时监测降雨情况，触发自动伸缩功能。在系统初始化后，对该检测模块进行模块初始化，OLED屏幕实时显示检测到的雨滴量，当检测到雨滴量大于所设阈值时，立即收回衣架；若无雨进入其他传感器检测判断，并进入循环，持续监测。具体流程图如图4.7所示。图4.7雨滴模块流程图4.8WI-FI模块智能管控软件设计本设计设置了人机交互的功能，通过与手机移动端App绑定，可实时查看到衣架系统的当下反馈的信息，并可以通过移动App端对衣架的伸缩状态进行远程控制。借助机智云平台来实现手机端与STM32多功能晾晒控制系统的远程交互，可以支持设备管理、数据监控、远程控制的功能。如下图4.8智能管控模型所示。WiFi模块作为和云端服务器沟通的桥梁，在整个系统运行的过程中，需确保和服务器能够保持连接不中断，并将MCU所采集到的信息发送到云端服务器上，并且在手机端发送控制指令到达服务器上。在设计中，ESP8266模块串口WIFI模块，辅助MCU工作，并且该模块只需完成通信的功能。利用机智云平台系统所提供的通信协议，实现模块与云端服务器之间的连接功能。该过程简便，只需将机智云开发平台所提供的固件，刷入到ESP9266串口WIFI模块的Flash当中，即实现该设计的联网需求，使设备能够连接到用户的手机App端，并实现后续的远程操控的要求。为实现与机智云平台的交互，具体操作步骤如下，首先登录机智云的开发者中心，去创建所设计的产品，选择通信方式为Wi-Fi；其次等待在平台下载好安卓系统的软件开发工具包后，集成到所创设的App工程。App扫描好设备二维码后发送绑定请求至云端，在设备确认后建立绑定关系；最终在添加设备后，可实时监控显示衣架周围环境的温湿度值、光照数据及衣架的工作状态，检测温湿度、光照强度等数据是否合适，然后根据显示的数据对衣架下达指令。上位机流程图设计如图4.9所示。图4.8智能管控模型效果图图4.9上位机设计流程图系统测试5.1系统实物图完成多功能晾晒系统的软、硬件设计后，对系统的整体功能进行测试，确定功能是否符合课题的设计需求，并在测试过程中能够及时发现设计中的不足，进行改善，从而完善系统的功能，实现对系统的整体设计目标。第三章对于系统的硬件电路进行了详细的设计，并提供了具体的集成电路设计图。本章将对实物进行调试，并将编译完成的软件程序加载到ESP8266芯片上，完成功能测试。本文设计的整个系统实物如图5.1所示，其中使用步进电机的顺、逆旋转来模拟衣架的伸出和收回。图5.1多功能晾晒系统实物图5.2温湿度功能模块测试该模块主要是检测当湿度超过某个阈值时，系统是否自动收回衣架；当温度适宜时，是否伸出衣架。同时也需进行用户界面测试，确认OLED显示屏与手机APP中所显示的温湿度数据是否实时更新，设置阈值参数是否快捷，在临界值时，能够确保逻辑正确无误。测试时，将保证其他传感器模块满足晾晒条件。在自动模式下，检测到雨量值小于雨量阈值时，检测湿度大小。湿度大于湿度阈值时，衣架收回，排风系统风扇启动。而当将湿度阈值设置为26%RH，而所检测到的实时湿度为46%RH，此时湿度大于阈值，排风系统开启进行排风。图5.2初始状态图5.3湿度大且排风系统开启的系统状态在自动模式且不下雨的状态时，若湿度小于湿度阈值，光强小于光强阈值，则开始根据温度数值进行判断。当温度大于温度阈值，衣架保持晾晒状态；当温度小于温度阈值时，衣架收回。系统状态图如图5.4和图5.5所示。在图5.4中可以看到，温度为28℃，而温度阈值为11℃，电机顺时针旋转。而在图5.5中可以清楚的看到相反的情况，电机逆时针旋转，此时温度没有达到所设定的温度值，衣架收回。图5.4温度大于温度阈值电机状态（顺时针旋转）图5.5温度小于温度阈值电机状态（逆时针旋转）5.3光照功能模块测试此模块测试是为了验证多功能晾晒系统的光照模块是否能正常工作，将多功能衣架置于不同光照环境下，例如晚上与白天阳光照射下，通过机智云APP以及OLED显示屏来读取光照强度的数值，以及观察模拟衣架的电机的运动状态。如图5.6中所示，此时湿度小于湿度阈值，实时的光强为121lux，而所设置的光强阈值为142lux，实时光强小于所设阈值此时为模拟夜晚的情景，且所检测到的实时温度也小于温度阈值，因此可以看到电机在模拟衣架收回的状态（逆时针旋转）。图5.6模拟夜晚电机逆时针旋转当所检测到的湿度小于湿度阈值，光照强度为118lux，而所设置的光强阈值为38lux时，可视为在模拟白天明亮场景，电机顺时针旋转，模拟衣架伸出。状态如图5.7所示。图5.7模拟白天电机顺时针旋转5.4红外功能模块软件测试此红外模块的主要功能为验证多功能衣架系统的红外检测模块能否准确的检验行人经过，并触发晾衣架的自动伸缩功能。在无人经过时，若其他传感器满足晒衣条件，衣架将保持伸出状态，模拟衣架的电机呈现顺时针旋转状态（如图5.8所示）。而当有人经过时，电机逆时针旋转即模拟衣架收缩（如图5.9所示）。图5.8无人经过时，电机保持顺时针旋转，模拟衣架伸出图5.9有人经过时，电机逆时针转动，模拟衣架收缩5.5雨滴模块测试将湿纸巾放置在雨滴模块感应面上模拟下雨场景。当所检测到的雨滴量小于设定的阈值且其他传感器满足晒衣条件，衣架保持伸出状态，如图5.10所示。图5.10雨量小时系统状态图（电机顺时针旋转）当所检测到的雨量大于雨量阈值时，由于在日常生活中，雨量大通常伴随着湿度大，所以收回衣架，电机逆时针转动，同时打开排风系统进行烘干，如图5.11所示。图5.11雨量大，湿度大时的状态图（电机逆时针旋转）5.6手动/自动双模式切换此系统可通过在手机APP上进行手动或自动模式控制，手动模式中可以通过观测OLED显示屏所实时显示的参数来进行对晾衣架的伸出和收回控制,以及风扇的开启和关闭。图5.12与图5.13为手动伸缩晾衣架的测试图。图5.14和5.15为手动打开关闭排风系统的实物测试图。图5.16为OLED实施参数显示。图5.12手动关闭电机图5.13手动打开电机图5.14手动打开排风系统图5.15手动关闭排风系统图5.16OLED参数显示

总结与展望6.1总结本文提出的多功能晾晒系统以STM32F103C8T6为主控核心，集成传感器技术、物联网通信和自动控制算法，实现了晾晒过程的智能化、自动化与远程可控化，解决了传统晾晒方式对于人工的依赖与智能化程度低的问题。在硬件设计方面，传感器模块中包含温湿度传感器（DHT11）、光照强度传感器（BH1750）、雨滴传感器（JY-SH202），用于实时采集环境数据，以及使用红外传感器感应行人经过。执行模块中步进电机驱动的伸缩晾衣架、继电器控制的风扇烘干装置，实现晾杆自动伸缩、烘干功能；对于实现人机交互的通信Wi-Fi模块（ESP8266），用于连接云端平台（机智云），支持手机APP远程监控与手动控制。在软件设计领域，借助keil软件达成系统的实时运行操作，其中涉及多任务调度，像传感器数据采集、电机控制以及通信处理等工作，以此来开展嵌入式控制，运用模糊逻辑对传感器数据给予融合，例如判断雨天、光照不足等场景情况，进行智能算法的运算，自动触发晾杆回收或者烘干功能，在人机交互模块里，依靠基于AndroidStudio开发的手机端APP机智云，实时呈现环境数据以及设备状态，并且支持手动与自动模式的切换。本文所提方法借助机智云云平台展开设计与开发工作，节约了服务器购置费用、开发环境搭建成本以及时间资源，基于机智云云平台的源代码开发出的手机APP，操作界面简洁，降低了开发难度，缩短了开发周期，该系统考虑普通家庭实际需求，集成了温湿度监测、光照强度检测、雨滴检测、远程监测和控制等多项功能，相比市场上现有的智能家居产品，功能更齐全。系统采用即插即用的常见传感器模块，模块出现故障时用户可直接更换，最后依靠家庭WiFi连接到机智云云平台，降低了系统使用和维护成本。6.2展望本文围绕多功能晾晒系统展开研究，借助智能化控制的整合，克服了传统晾晒方式在效率和环境适应性方面的局限，不过仍有很大的改进余地。（1）系统可靠性仍有提升空间，在控制系统设计里，运用了成本效益相对较高的光照强度传感器、温湿度传感器以及红外传感器等模块，虽然这些传感器模块可契合控制系统的基本数据采集要求，然而其整体精度有待改善，存在一定的误差范围，这在某种程度上对系统可靠性造成了影响，未来研究中可考虑采用精确度更高且更专业的探测器来解决稳定性问题，并且把温度湿度探测器、光线探测器模块采集的数据应用于家用空调、加湿器、照明等设备的控制方面，以此提高系统稳定性。（2）该控制系统的应用范围存在一定局限性，虽说控制系统借助WiFi达成了联网远程控制功能，然而其控制精确度欠佳，鉴于家庭WiFi信号覆盖范围有限，此控制系统的应用范围也受到了相应限制，在未来研究里会考虑运用4G、5G模块替换WiFi，亦或是采用ZigBee组网技术，实现智能家居控制系统有更多节点、更强性能以及更宽范围。（3）功能有待进一步完善。控制系统目前能实现的红外检测有较大的局限性，目前仅能满足衣架开启关闭提醒，还没有加入报警，以及测算距离等功能。为进一步提升系统性能。此后研究中考虑增加远程视频监控功能和语音控制功能。用户可以开启远程视频监控功能实时查看衣架的视频监控画面，以及进行语音控制衣架的伸缩，进行更加精确的衣物晾晒。

参考文献\t"/reader/NFLJ202112060"涂桂根;黄思庆;熊冯瑞;张敬轩;刘紫君;蓝宗锦;张稳祺;基于STM32的降水感应智能晾衣系统设计[J].南方农机,2021(12):174-175+178.\t"/reader/ZKSG201902013"梁英波;基于STC89C51的智能晾衣架设计与实践[J].周口师范学院学报,2019(02):55-57.\t"/reader/SYSY202202014"申赞伟;殳国华;张士文;张峰;刘彦博;基于STM32的智能家居物联网系统实验设计[J].实验室研究与探索,2022(02):66-69+99.\t"/reader/JXKF201805045"谈敏;智能晾衣架创新设计与控制系统研究[J].机电工程技术,2018(05):143-145.\t"/reader/GWDZ201508013"张文倩;齐爱学;仿生学太阳能智能晾衣系统设计[J].电子设计工程,2015(08):46-49.\t"/reader/JSSG202101012"林关成;基于STC89C52单片机的智能晾衣架控制系统设计[J].计算机与数字工程,2021(01):60-63+152.\t"/reader/JZGC202332024"杨显斌;基于物联网的智能晾衣架设计[J].价值工程,2023(32):83-85.\t"/reader/WCLJ202003011"张斌;马永斌;邱秀荣;赫书月;智能晾衣架控制系统的设计与实现[J].微处理机,2020(03):50-52.\t"/reader/WDZC201911011"史记征;梁晶;基于51单片机的智能晾衣架系统设计[J].电子测试,2019(11):39-40.\t"/reader/YBJI202201008"杨曾健;杨颖;岳梦攒;杨振杰;矫瑞田;多功能智能晾衣架的设计[J].仪表技术,2022(01):34-36.\t"/reader/HLKX202130070"夏铭遥;陈廷玉;周世乾;屈斌文;智能伸