基于NodeMCU的智能衣柜设计

（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）

随着现在的智能家居的发展，越来越多的智能化的产品走入人们的视野。智能化的产品帮助人们解决了生活中的部分问题，提高了人们幸福生活的体验。针对现有的家庭衣柜存在的问题，提出了一款智能的现代化的解决方案，减小由于温度、湿度变化对衣物造成的影响。

1 系统设计

本系统主要由主控制器：可联网的主控器NodeMCU、步进电机以及控结构、温湿度传感器、通风风扇等组成，结构如图1所示。

图1 系统设计图

1.1 单片机主控制器

主控芯片采用乐鑫公司开发的ESP8266芯片，使用的是经过封装的NodeMCU物联网模块。本次开发使用C语言，在Arduino平台进行开发，由于Arduino平台提供有众多的库文件，更加方便快捷地开发工程。作为一款物联网模块，该芯片内嵌TCP/IP协议栈，支持802.11协议，支持AP和STA模式。该芯片具有多路可编程IO，内置定时器模块，带有一路ADC，可以输出支持IIC、IIS、USART、SPI协议等。作为一款32位的单片机，主控频率高、功能强大，可以在低功耗模式下使用，可以长时间免维护运行。该款芯片具有功能众多、性能优越、功耗低小等特点，可以胜任本次设计。

1.2 温湿度的采集

本次设计方案采用的是SHT30款温湿度传感器模块。该模块体积小巧、供电方便，直接提供5 V的直流电压即可。主控模块使用IIC协议与温湿度模块进行数据交互，读取方便，灵敏度高（0.1 ℃），可以敏锐捕捉温度的变化。该模块可同时直接采集来自衣柜的温度、湿度数据。由于衣柜体积较大，采用分布式排布的方法，在衣柜中多角度、多点放置，同时定时采集，再计算平均值作为最终的输出数据，最终将采集的温湿度输出到衣柜上的屏幕和手机终端。

湿度的采集仅用其中采集到的一组数据作为参考，温度数据则采集衣柜内部的多个部位的数据作为参考。采集的温湿度数据如表1所示。

表1 检测的几个位置的温度数据 单位：℃

由表1可知，衣柜内部不同位置的温度变化不大，但不同位置的温度检测稍微有所不同，可能受到光照或者其他的热源的影响造成的。

1.3 屏幕显示模块设计

显示模块采用的是4.3英寸的HMI可触摸串口液晶屏幕。串口屏具有可独立设置UI的优点，可以自定义设计显示的UI，不占用过多的单片机的资源。串口屏幕可以显示多级页面，可以显示衣柜的温度、湿度、风扇的转速、通风的时间、定时等信息以及开源平台API接口获取到的其他信息等，可设置用于控制的按钮，简单的屏幕GUI界面示意图如图2所示。

图2 简单的屏幕GUI界面示意图

1.4 无线传输设计

无线传输分为主、从结构。从机部分在衣柜外壁的合适的位置粘贴，主要用于驱动串口屏幕。主机部分内置于衣柜内壁，用来处理温湿度数据和对步进电机、风扇的控制。

主机与主机之间借助WiFi进行无线的数据传输，外壁机作为从机，开启STA模式，作为Client角色，连接作为Server角色的开启AP模式的主机，两机之间借助TCP/IP协议连接，进行点对点的数据交互。两者均须连接家庭的无线路由器，并作为局域网中的一个节点。同时，设计了一款安卓APP，该APP也以TCP/IP方式在局域网内连接到衣柜内壁的主机进行控制指令发送和数据的交互，并显示自定义的基于网络开放API接口的可获取的资源。

1.5 风扇控制设计

风扇的使用是为了加速空气的流动，常通风有助于衣物保持稳定的温湿度，更好地保存衣物，避免发霉。风扇安装在衣柜的顶部，设置百叶窗，可以在风扇关闭时避免衣柜外灰尘进入。

根据上文中针对当前的室温的设计，计算出温湿度与风扇转速控制的相关的计算算法。

模块内部可以通过程序控制输出一定频率的PWM波，用于控制通风风扇的转速。温湿度的采为定时采集，当采集的数据经过计算后超出设置的阈值，会按照一定的算法计算后设置PWM的占空比，控制风扇的转速。当风扇经过一段时间的开启后，衣柜内部的温度和湿度会发生一定改变，此时风扇会停止转动。同过这种反馈方式完成衣柜内部温湿度的调节，改善内部环境。

风扇PWM输入与温湿度设计相关公式（n为部署的温湿度传感器的数量），如下：

式中：PWMnow——当前温湿度采样与设定值的比较的计算结果；Ts——温度的设定值，目标值（℃）；Ti——当前的所有的温湿度传感器采集值的平均值（℃）；n——当前部署的温湿度传感器的个数。

风扇的开关跟随衣柜内部的温湿度的变化，当超出设置的阈值时便会触发开启，回到阈值内便会关闭，处于动态控制状态，可以进行手动和APP的遥控指令操作，有关温湿度与风扇转速的算法设计如图3所示。

图3 有关温湿度与风扇转速的算法设计

1.6 电源供电设计

电源模块分三部分。其中步进电机使用的是42步进电机，采用TB6600驱动器结合单片机的PWM信号进行驱动。供电采用独立的家用220 V交流电经过电源模块转换成12 V直流电进行供电。其次，单片机和温湿度模块供电用线性降压电路，将12 V转换成5 V支流电源。最后，芯片供电，再次使用线性降压电路将5 V直流降至3.3 V供电。

典型线性降压电路图如图4所示。

图4 线性电压转换电路图

1.7 衣柜内部步进电机设计部分

控制部分由步进电机、桁架、传动链条、挂衣钩组成。由于通风过程中衣服一直处于固定位置会使衣物受风不均，因此，在衣柜内部设置了一个环形旋转装置，可以使衣物在衣柜内部进行旋转，实现均匀受风。

该旋转装置是仿照数控机床的回转刀库装置结构设计，由两个步进电机驱动，每个步进电机上带有两个齿轮盘。传动的方式采用链条传动，使得传动更加平稳，产生噪声更小，产生的摩擦力更小，减轻步进电机的工作压力。

步进电机带动齿轮盘旋转，带动链条传动。在链条的连接处装有挂衣钩，衣物悬挂上，随着链条旋转而转动，使得在通风过程中受风更加的均匀。步进电机的旋转控制受内部主机的控制，用户可以通过APP或者外壁的屏幕发送转动指令，可以轻松地控制衣架正反旋转，当需要的衣服到达自己面前时停止。

2 系统主程序设计

主程序流程图如图5所示，电路原理示意图如图6所示。

图5 主程序流程图

图6 相关电路原理示意图

3 相关的优化

3.1 有关温湿度传感器的排布的优化

由于衣柜内部空间大，存放有大量衣物，当用户刚放入衣服时，温湿度会随着时间的推移逐渐发生变化。所有的温湿度不会同时发生变动，因此，在衣柜内部安装多个温湿度传感器检测温湿度的变化，取同一时间的数据的平均值作为PWM输出的依据。

3.2 温湿度检测时间间隔和季节的有关优化

在春冬天和夏秋天的室内空气的温度和湿度会相差较多，因此，在季节变化时需要对设置的温度阈值进行调整，使其更加符合需求。

4 结语

随着嵌入式和物联网技术的蓬勃发展，更多方案会被不断提出，更多的智能家居产品被开发，基于云平台和更加优秀模组的搭配会给人们更加震撼的体验。今后会开发出更加智能、人机交互更加友好的嵌入式产品，将会给消费者带来更加舒适的体验，助力嵌入式的更好的发展。