0 引言

    目前國(guó)內(nèi)大部分智能鞋柜利用光觸媒、PTC等方法^[1]，通過手動(dòng)設(shè)定工作時(shí)間，在設(shè)定的工作時(shí)間內(nèi)利用光觸媒和熱風(fēng)循環(huán)對(duì)鞋柜進(jìn)行除臭、祛濕。這種方法效果一般，不能去除存在于鞋子內(nèi)部的有害細(xì)菌，而且采用手動(dòng)、定時(shí)控制方式，系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，與PC或手機(jī)客戶端無數(shù)據(jù)交互，無法遠(yuǎn)程控制和查看鞋柜狀態(tài)信息，不是真正的智能控制。

    隨著科技的快速發(fā)展，家居生活也逐漸向智能化發(fā)展。本文結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)^[2，3]和“云+端”智能家居模式^[4]對(duì)傳統(tǒng)鞋柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和功能升級(jí)，鞋柜在儲(chǔ)存鞋子的同時(shí)具備殺菌除臭、祛濕防霉、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，并利用智能控制算法，實(shí)現(xiàn)鞋柜系統(tǒng)自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

    基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜系統(tǒng)功能包括溫濕度檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)、祛濕防霉、殺菌除臭、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)顯示等。系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：鞋柜控制端、云服務(wù)器和客戶端。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)鞋柜控制端與客戶端的數(shù)據(jù)交換。客戶端用于遠(yuǎn)程監(jiān)控鞋柜運(yùn)行狀態(tài)，并完成鞋柜控制端的入網(wǎng)配置。鞋柜控制端由無線路由器接入到家庭網(wǎng)絡(luò)，通過接收客戶端的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，解析出控制命令，響應(yīng)遠(yuǎn)程控制。鞋柜控制端通過傳感器探測(cè)鞋柜及鞋內(nèi)空氣質(zhì)量，智能地執(zhí)行祛濕防霉、殺菌除臭程序。鞋柜控制端總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

1.2 鞋柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    鞋柜整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用分區(qū)處理技術(shù)，在鞋柜內(nèi)部單獨(dú)開辟一塊區(qū)域，安裝定制的鞋撐（內(nèi)部安裝有傳感器、殺菌除臭、祛濕防霉模塊），在處理器的控制下對(duì)鞋子內(nèi)部進(jìn)行有效的殺菌除臭、祛濕防霉。同時(shí)，利用安裝于鞋柜內(nèi)的溫濕度傳感器智能檢測(cè)鞋柜內(nèi)溫濕度，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制鞋柜內(nèi)的祛濕防霉模塊，使鞋柜內(nèi)空氣質(zhì)量保持最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前端數(shù)據(jù)采集

    前端采集的數(shù)據(jù)包括鞋撐及鞋柜內(nèi)的溫濕度信息、空氣質(zhì)量信息和感應(yīng)開關(guān)輸出的高低電平量。前端數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

2.1.1 溫濕度傳感器

    根據(jù)GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，室內(nèi)空氣溫濕度標(biāo)準(zhǔn)為：夏季溫度22 ℃~28 ℃，濕度40%~80%；冬季溫度16 ℃~24 ℃，濕度30%~60%。選用溫濕度測(cè)量范圍較寬的DHT22集成溫濕度傳感器，以適應(yīng)不同地域環(huán)境條件下的測(cè)量需求。

2.1.2 氣敏傳感器

    鞋內(nèi)惡臭氣體種類較多，對(duì)人體健康危害較大的氣體有氨、硫化氫、硫醇類、二甲基硫、三甲氨、甲醛、苯、乙烯、正丁酸和酚類物質(zhì)^[5]。其中，由于細(xì)菌、蛋白腐爛導(dǎo)致氨、硫化氫、甲醛、苯等氣體較多。基于此，選用對(duì)VOC(揮發(fā)性有機(jī)物，包括：苯系物、胺、醇等)、氣味與污染空氣有高靈敏度的TGS2600作為污染氣體檢測(cè)器件。

2.2 處理器

    TGS2600輸出信號(hào)為模擬量，需要通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后給處理器。處理器使用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F100R8單片機(jī)，內(nèi)部包含16通道的12位ADC、RTC（Real-Time Clock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、51個(gè)通用I/O、64 KB Flash、8 KB RAM等資源。不僅可以滿足對(duì)TGS2600輸出模擬信號(hào)的采樣與轉(zhuǎn)換，還可以直接利用處理器內(nèi)部的RTC為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間信息。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

    驅(qū)動(dòng)模塊用于控制殺菌除臭模塊和祛濕防霉模塊的開啟與關(guān)閉。相比機(jī)械式電磁開關(guān)，利用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)控制電路不僅電路體積小、重量輕，而且無機(jī)械觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)。本系統(tǒng)使用低壓低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)效應(yīng)管SI2301，電路如圖5所示。

2.4 殺菌除臭模塊

    紫外線具有極強(qiáng)的殺菌能力^[6]，尤其在波長(zhǎng)為253.7 nm時(shí)紫外線的殺菌作用最強(qiáng)。利用臭氧的強(qiáng)氧化性可以達(dá)到很好的除臭效果^[7]。由于鞋內(nèi)空間狹小，選用能夠產(chǎn)生微量臭氧的小型紫外燈泡，在發(fā)出紫外線的同時(shí)產(chǎn)生微量的臭氧，殺菌除臭同時(shí)進(jìn)行。

2.5 祛濕防霉模塊

    適宜的霉菌生長(zhǎng)環(huán)境是導(dǎo)致鞋子發(fā)霉的一個(gè)主要因素^[8]，當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃~35 ℃，相對(duì)濕度高于60%(特別是在90%~100%的條件下)時(shí)最適宜霉菌生長(zhǎng)。通過在鞋柜中加裝通風(fēng)和加熱裝置，將相對(duì)濕度控制在60%以下，能有效抑制霉菌生長(zhǎng)。系統(tǒng)在鞋柜和鞋撐中安裝發(fā)熱膜和風(fēng)扇，通過處理器的智能檢測(cè)和控制算法，控制發(fā)熱膜和風(fēng)扇的工作，實(shí)現(xiàn)祛濕防霉功能。

2.6 WiFi模塊

    WiFi模塊用戶實(shí)現(xiàn)智能鞋柜系統(tǒng)與云服務(wù)器和客戶端的數(shù)據(jù)交互。鑒于系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，選用組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活的ESP8266。ESP8266支持softAP模式、station模式、softAP+station共存模式。同時(shí)，ESP8266支持AT指令集和數(shù)據(jù)透明傳輸，外接微處理器可以通過串口向ESP8266發(fā)送AT指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)通過ESP8266數(shù)據(jù)交互的框圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)上電后，開始初始化、自檢、傳感器校正和網(wǎng)絡(luò)連接，之后進(jìn)入自動(dòng)控制，運(yùn)行流程如圖7所示。

3.2 智能檢測(cè)與控制算法

    控制程序定期采集鞋柜和放置在鞋撐上的鞋子內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量信息，采樣間隔時(shí)間為2 s。當(dāng)連續(xù)采集5組數(shù)據(jù)后，對(duì)已采集的5組數(shù)據(jù)做平均算法處理，處理器根據(jù)處理結(jié)果，控制殺菌除臭和祛濕防霉模塊工作。在殺菌除臭和祛濕防霉過程中，當(dāng)檢測(cè)到鞋子內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量達(dá)到正常時(shí)，為防止誤判，控制程序先關(guān)閉殺菌除臭和祛濕防霉模塊，等待10 min，等待期間若處理器再次檢測(cè)到氣氛不正常，則停止等待，繼續(xù)殺菌除臭和祛濕防霉，否則判定處理完成。流程如圖8所示。

3.3 系統(tǒng)ID唯一性設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)ID唯一性保證控制系統(tǒng)的安全性。在接收到遠(yuǎn)程控制命令后先校驗(yàn)接收數(shù)據(jù)報(bào)頭與系統(tǒng)ID是否一致，防止誤操作。系統(tǒng)ID來源于每個(gè)STM32芯片全球唯一96位ID，系統(tǒng)對(duì)這96位ID進(jìn)行ASCII碼轉(zhuǎn)換，生成唯一的24位用戶名和24位密碼，并將信息上傳到云服務(wù)器完成系統(tǒng)注冊(cè)登記。

3.4 云服務(wù)器設(shè)計(jì)

    云服務(wù)器是鞋柜系統(tǒng)與客戶端之間數(shù)據(jù)交互的橋梁，實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)與遠(yuǎn)程登錄訪問功能。服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)智能鞋柜系統(tǒng)的安全性與可靠性?？蛻舳伺c服務(wù)器建立連接后，客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，服務(wù)器接收信息后，根據(jù)請(qǐng)求類型，核對(duì)用戶名和密碼正確后作出相應(yīng)的響應(yīng)。服務(wù)器響應(yīng)一個(gè)客戶端請(qǐng)求的工作流程如圖9所示。

3.5 客戶端設(shè)計(jì)

    客戶端方便用戶隨時(shí)查看、控制鞋柜運(yùn)行狀態(tài)。在外網(wǎng)狀態(tài)下，客戶端數(shù)據(jù)來源于云服務(wù)器。家庭局域網(wǎng)狀態(tài)下，客戶端與鞋柜控制系統(tǒng)可通過WiFi模塊直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在使用過程中先通過客戶端的設(shè)備綁定功能將客戶端與鞋柜系統(tǒng)進(jìn)行綁定，并通過客戶端將家庭無線路由器的接入信息發(fā)送給鞋柜系統(tǒng)，綁定完成后，鞋柜系統(tǒng)自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)?？蛻舳诉\(yùn)行流程如圖10所示。

3.6 WiFi一鍵配置程序設(shè)計(jì)

    WiFi一鍵配置的功能是讓用戶通過手機(jī)APP完成對(duì)WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)配置，使系統(tǒng)接入家庭無線網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)使用的是SmartConfig技術(shù)，具體配置流程如圖11所示。

4 效果測(cè)試與分析

4.1 鞋柜祛濕功能測(cè)試

    分別選擇潮濕和正常濕度天氣條件時(shí)進(jìn)行了三組測(cè)試，第一組和第二組對(duì)比測(cè)試鞋柜的祛濕功能，第二組和第三組對(duì)比測(cè)試在不同濕度環(huán)境條件下鞋柜祛濕的速度，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

    可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)除濕效果顯著。智能鞋柜系統(tǒng)在處理器控制下自動(dòng)工作，當(dāng)檢測(cè)到濕度超過60%RH時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟祛濕模塊，保持鞋柜內(nèi)溫濕度正常，防止鞋子發(fā)霉。當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，從第二組和第三組數(shù)據(jù)可以看出，在較潮濕環(huán)境下，鞋柜系統(tǒng)除濕時(shí)間相比干燥環(huán)境下時(shí)有所增加。

4.2 鞋柜除臭功能測(cè)試

    除臭對(duì)象為穿了一天的運(yùn)動(dòng)鞋，將不帶殺菌除臭模塊的鞋撐放入左邊鞋中，另一只鞋放入帶有殺菌除臭模塊的鞋撐。放好鞋后，系統(tǒng)自動(dòng)開始工作，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

    開始一分鐘內(nèi)，由于鞋內(nèi)污染濃度較高，傳感器檢測(cè)結(jié)果迅速上升，不帶除臭功能模塊的鞋內(nèi)污染氣體濃度在之后一段時(shí)間始終保持在較高污染濃度范圍；帶除臭功能模塊的鞋內(nèi)污染氣體濃度則上升到最高值后，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在10分鐘之后，鞋內(nèi)污染氣體濃度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍。

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜系統(tǒng)，系統(tǒng)具有殺菌除臭、祛濕防霉、語音提示、時(shí)間顯示等功能，并能通過客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息查看與控制?？赏ㄟ^增加客戶端界面接口，實(shí)現(xiàn)智能鞋柜系統(tǒng)與其他智能家居系統(tǒng)的聯(lián)接。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)祛濕、除臭效果明顯，操作簡(jiǎn)單，各模塊均使用直流供電，功耗低，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

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作者信息:

王佳權(quán)，王  皓，陳少勇，黃啟俊，常  勝，王  豪，何  進(jìn)

（武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072）