基于阿里云的物联网多功能衣柜

徐松华

（杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018）

智能家居的概念起源于80年代中期的美国，随着IT行业在中国的飞速发展，智能家居行业于90年代中后期开始进入中国市场。随着改革开放的不断深化，中国人民生活水平的不断提高以及房地产开发商对于智能化家居控制系统的重视，智能家居在中国初露锋芒，智能衣柜“首当其冲”，智能衣柜也可以说是新时代家具行业的翘楚，是传统家具在新时代的快速转变，智能衣柜也慢慢地在衣柜市场上流行起来。

随着国家经济高速发展，国民生活品质逐步提高，人们对于衣物的需求量也越来越大。据市场调查显示，随着家庭成员的增加，加之每年新买的衣服，传统衣柜已越来越不堪重负。人们下班后，拖着疲惫的身躯，还要花大量时间去整理衣物。根据生活经验，平均每叠30件衣服大概需要10~15 min，人们为了挑选在工作、运动或者参加晚宴、度假以及其他各类活动需要穿着的服装，要花费大量时间穿梭在各个衣橱间。“找衣难、选衣难”已经成为了一个非常普遍及现实的问题。另外，平时人们忙于工作生活，基本不会经常整理洗晒衣物，衣物长时间置于普通的衣帽间中，时间长了会发出霉味。尤其在长江中下游地区，每年6、7月份都会出现持续阴天有雨的梅雨天气，衣柜更加容易受潮，阳光又照射不到。人们日益增长地对美好衣柜的追求和传统衣柜之间已经出现了矛盾。

基于此现象，本课题研究设计的多功能智能衣柜，可以完美解决日常家庭“衣量大、衣难找、易隐藏、易霉变”等问题。适应人们日益加快的生活节奏，满足人们对高质量生活水平的追求。

1 衣柜设计步骤

本课题智能衣柜的设计过程主要包括前期市场调研、硬件设计、软件程序编写及整机调试。在前期的市场调研中，通过网上查阅相关资料、问卷调查、到大型家居公司考察调研等方式，了解目前智能衣柜市场的现状，熟知不同用户对于智能衣柜功能的需求以及传统衣柜存在的不足。在硬件设计阶段，首先通过CAD画出衣柜整体构架以及各个零部件的具体位置，然后对各个配件进行选型，包括规格尺寸、材料类型、材料强度等。在程序编写阶段，需要根据衣柜的各种功能编写相应的C语言程序，控制相关继电器来控制各项功能的实现。最后是设备整体调试，这个阶段也是项目进行的最后阶段，要通过反复的试验和调整来实现预期的功能目标。

2 衣柜硬件结构

硬件设计是项目的基础，本衣柜采用智能系统控制机械运动，完成人们需要的动作，帮助人们日常选择、整理、存放衣物。装置采用人性化的设计思路，使用人机交互系统，在帮助人们节省时间的同时，除湿、杀菌功能使人们穿衣搭配更加安全。衣柜的柜体结构采用亚克力板制作，在立体空间内放置各项功能需要的零部件。衣柜的总装配图如图1所示，主要物理结构由以下4部分组成。

图1 衣柜机械结构总装配图

2.1 可翻转式帽柜

可翻转式帽柜设置于衣柜顶部，主要作用是存放帽子，工作时通过触摸屏操作。用户在人机交互系统界面上选定相应的目标后，单片机通过预设指令控制帽柜下部气泵工作，气泵带动机械连杆将柜体向上翻转，帽柜表面设置有挂钩，当柜体翻转至一定角度时，帽子悬挂于表面挂钩上，用户在此时可以拿取帽子。

2.2 自动取衣结构

自动取衣结构位置设计在衣柜中部，承担自动选取衣物的作用。平时用户只需要将衣物挂在轨道挂钩上，当需要穿着时，通过触摸屏选取对应的衣物，系统通过指令将衣物呈现在用户面前。自动取衣结构主要由封闭式环形导轨、同步带、电动机、轨道挂钩等组成。双导轨同步连动式结构均分布在导轨各处，下面有滑道挂钩，挂着各种衣服。衣柜的智能触摸屏上有各种衣服的图片（可以拍照录入系统），程序将它们按序号排列，并在屏幕下方的菜单栏加装按钮功能，每一件衣服都有属于自己的信号（根据排列的顺序，在STM32F103ZET6主板上输入C语言程序），当用户根据衣物图片选择需要的衣服后，STM32F103ZET6控制系统根据算法选择最近的路程，控制电动机转动，电动机通过齿轮带动皮带运动，转动的过程中STM32F103 ZET6控制系统就会计算运行的时间和路程，STM32F103ZET6控制系统输出信号指令，当信号达到所需要的值，正好与选择的衣服信号匹配时，电机停止转动，对应挂钩上的衣物到达取衣口，把用户选中的衣物呈现在用户面前，完成自动取衣的过程。

2.3 智能弹出式柜子

智能弹出式柜子设计在衣柜的下端，承担放置鞋子和袜子的作用。智能弹出式柜子主要的机械结构为三节式的阻尼滑道与智能电控箱柜锁。平时用户只需要把鞋袜等放置在智能柜子中，当需要穿戴时，只需要通过触摸屏进行选取，当选取成功后，智能电控柜锁就会自动弹开，带动柜子在阻尼轨道上运动，使柜子自动打开，用户即可拿取鞋袜。

2.4 杀菌除湿装置

与传统衣柜相比，杀菌除湿装置是本课题衣柜比较新颖的功能。衣柜衣物容易发霉是传统衣柜常见的问题，本衣柜的杀菌除湿装置可以很好地解决这个问题。杀菌装置的执行机构是紫外线杀菌灯。用户可以通过触摸屏打开杀菌功能，也可以通过手机APP远程控制杀菌功能。利用紫外线杀菌的原理，通过紫外线对各种细菌及微生物进行持续性照射，破坏其体内的器官结构，起到安全穿衣的作用。紫外线灯的存在，将有效抑制细菌的生存。除湿装置由湿度传感器以及加热器件组成，当湿度达到一定值时，湿度传感器会给出一个反馈信号，此时触摸屏上会显示“湿度过高，请加热”，用户可以选择手动加热或定时加热，时间由用户自己设置，当按下加热按钮时，STM32F103ZET6控制系统给出信号，此时与STM32F103ZET6控制系统连接的继电器，控制加热功能的继电器开关闭合，系统开始加热（手动加热需要自己关闭，定时加热会自动关闭）。

3 衣柜控制系统

软件程序设计是衣柜的核心组成部分，是系统设计的重要控制依据。软件是连接用户与硬件之间的桥梁，起到纽带作用。用户通过软件程序和智能衣柜系统进行人机交流。系统控制图如图2所示。

图2 衣柜系统控制图

衣柜的控制系统由上位机（APP）和下位机（衣柜）两部分组成，两者通过MQTT协议在阿里云平台进行通信，实现远程控制与监测功能[1]。

上位机APP基于App inventor进行开发，可接收下位机的信息和向下位机发送信息。下位机由5大模块组成，分别为单片机模块、显示模块、温度测量模块、WIFI模块、继电器模块。单片机模块即控制模块，是整个系统的大脑，由STM32F103ZET6最小系统组成。显示模块即人机交互界面，可通过触摸屏实现衣柜的各项功能，由电容触摸屏组成。温度测量模块由DS18B20及外围电路组成，测量衣柜内的实时温度。WIFI模块即通信模块，下位机通过WIFI模块发送和接收信息，实现物联网远程监控，由ATK-ESP8266及外围电路组成。继电器模块即单片机控制的不同外围电路，因这些外围电路都为大功率器件所以用继电器控制开关，由电动机、真空压缩机、除湿机、紫外线灯等组成。

3.1 STM32F103ZET6控制系统

STM32F103ZET6控制主板是衣柜的核心之一，放置于衣柜顶部，由C语言执行程序代码。STM32F103ZET6控制系统使用性能较高的ARM Cortex-M3内核元器件，有非常丰富的接口和通信模块以及其他功能模块[2]。在功耗方面控制较好，能耗低，实时性强，有着强大的控制功能。其工作主频默认为72 MHz，内部有高速存储器，丰富的增强型I/O端口和外设元器件，不仅支持JTAG调试的方式，而且支持SWD调试方式[3]。当用户通过人机交互系统选择所需功能时，STM32F103ZET6主板将立刻做出相对应的控制命令，来达到用户的实时要求，实现功能方便快捷稳定。

3.2 远程控制模块控制系统

远程控制模块基于阿里云平台实现。阿里云是全球领先的云计算及人工智能科技系统，在互联网云平台高速发展的今天，其较低的成本，强大的计算能力，安全可靠的数据处理能力，为本课题衣柜提供了一个强大的科技平台。本系统依托阿里云平台，将STM32F103ZET6模块与WIFI模块相连接，手机APP界面如图3所示，能够实现远程控制和温湿度监测功能。在阿里云平台的模式下，使用WIFI模块，用户可以在全球任何一个位置监测衣柜内部温湿度情况，使用户可以远程控制衣柜。

图3 手机APP

4 衣柜系统联合调试

设计任何一个系统设备最终目的还是其应用性和实用性。因此在衣柜的方案设计、系统的硬件设计、系统的软件设计全部实现之后，还需要对整个系统各个模块的功能进行测试、检验，以达到预期功能和要求。在硬件的搭建过程中，最基本的还是要看机械机构是否牢固稳定，电子线路是否准确可靠。在组装同步皮带的过程中，由于尺寸材料结构等方面的原因，调试了很久才搭建完成。在编写程序的过程中，经常出现程序错误，经过反复比较和检查，发现了很多问题。比如要注意单片机的端口定义是否正确，要选择正确的单片机型号，编写程序的时候，电脑是否处于英文状态下，等等。最关键的一件事就是要仔细认真，上百几千条语句，稍微有个错误就可能导致整个系统无法实现功能。在本次项目设计中，出现了很多问题，不过通过对软硬件的检查和测试，最终实现了各项功能指标。系统硬件实物图如图4所示。

图4 衣柜实物图

5 结束语

综上所述，本文从意义价值、硬件设计、软件设计等方面描述了一个以STM32F103ZET6单片机作为控制核心，以阿里云系统为平台的物联网多功能衣柜。整个系统结构紧凑，使用方便易懂，性能稳定，实现了衣柜的自动控制过程，具有很好的现实应用意义。并且能够将强弱电知识很好地进行结合。在智能化家居大力普及的今天，希望本设计能给智能衣柜的发展提供一些参考意义。