《电子技术应用》

基于物联网的智能鞋柜系统设计

2017年电子技术应用第3期 作者:王佳权,王 皓,陈少勇,黄启俊,常 胜,王 豪,何 进
2017/4/14 10:35:00

王佳权,王  皓,陈少勇,黄启俊,常  胜,王  豪,何  进

(武汉大学 物理科学与技术学院,湖北 武汉430072)


    摘  要: 针对传统鞋柜功能单一、鞋子容易发霉腐烂等问题,设计了一种基于物联网智能鞋柜系统。在鞋柜中加入杀菌除臭、祛湿防霉功能,使用STM32单片机并嵌入智能控制算法实现系统的智能控制。采用分区处理方法对鞋柜结构进行改造,在鞋柜内安装祛湿装置,并利用安装有传感器和具有杀菌除臭、祛湿防霉功能模块的鞋撑,对鞋柜潮湿空气和鞋子内部臭味进行处理。利用物联网技术,结合云服务器客户端,实现鞋柜信息实时查看、远程智能控制等功能。实验表明,系统能够有效去除鞋内臭味,防止鞋子发霉,保持鞋柜内空气清新。

    关键词: 智能鞋柜;物联网;STM32;云服务器;客户端

    中图分类号: TN876

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.021


    中文引用格式: 王佳权,王皓,陈少勇,等. 基于物联网的智能鞋柜系统设计[J].电子技术应用,2017,43(3):84-87,91.

    英文引用格式: Wang Jiaquan,Wang Hao,Chen Shaoyong,et al. The design of intelligent shoe system based on Internet of Things[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):84-87,91.

0 引言

    目前国内大部分智能鞋柜利用光触媒、PTC等方法[1],通过手动设定工作时间,在设定的工作时间内利用光触媒和热风循环对鞋柜进行除臭、祛湿。这种方法效果一般,不能去除存在于鞋子内部的有害细菌,而且采用手动、定时控制方式,系统独立运行,与PC或手机客户端无数据交互,无法远程控制和查看鞋柜状态信息,不是真正的智能控制。

    随着科技的快速发展,家居生活也逐渐向智能化发展。本文结合现代电子技术、物联网技术[2,3]和“云+端”智能家居模式[4]对传统鞋柜进行结构改造和功能升级,鞋柜在储存鞋子的同时具备杀菌除臭、祛湿防霉、远程监控等功能,并利用智能控制算法,实现鞋柜系统自动控制。

1 系统总体设计

1.1 功能设计

    基于物联网的智能鞋柜系统功能包括温湿度检测、空气质量检测、祛湿防霉、杀菌除臭、远程控制、状态显示等。系统由三大部分构成:鞋柜控制端、云服务器和客户端。系统网络拓扑如图1所示。云服务器实现鞋柜控制端与客户端的数据交换。客户端用于远程监控鞋柜运行状态,并完成鞋柜控制端的入网配置。鞋柜控制端由无线路由器接入到家庭网络,通过接收客户端的网络请求,解析出控制命令,响应远程控制。鞋柜控制端通过传感器探测鞋柜及鞋内空气质量,智能地执行祛湿防霉、杀菌除臭程序。鞋柜控制端总体设计框图如图2所示。

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1.2 鞋柜结构设计

    鞋柜整体结构如图3所示。采用分区处理技术,在鞋柜内部单独开辟一块区域,安装定制的鞋撑(内部安装有传感器、杀菌除臭、祛湿防霉模块),在处理器的控制下对鞋子内部进行有效的杀菌除臭、祛湿防霉。同时,利用安装于鞋柜内的温湿度传感器智能检测鞋柜内温湿度,根据检测结果控制鞋柜内的祛湿防霉模块,使鞋柜内空气质量保持最佳状态。

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2 系统硬件设计

2.1 前端数据采集

    前端采集的数据包括鞋撑及鞋柜内的温湿度信息、空气质量信息和感应开关输出的高低电平量。前端数据采集电路如图4所示。

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2.1.1 温湿度传感器

    根据GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》,室内空气温湿度标准为:夏季温度22 ℃~28 ℃,湿度40%~80%;冬季温度16 ℃~24 ℃,湿度30%~60%。选用温湿度测量范围较宽的DHT22集成温湿度传感器,以适应不同地域环境条件下的测量需求。

2.1.2 气敏传感器

    鞋内恶臭气体种类较多,对人体健康危害较大的气体有氨、硫化氢、硫醇类、二甲基硫、三甲氨、甲醛、苯、乙烯、正丁酸和酚类物质[5]。其中,由于细菌、蛋白腐烂导致氨、硫化氢、甲醛、苯等气体较多。基于此,选用对VOC(挥发性有机物,包括:苯系物、胺、醇等)、气味与污染空气有高灵敏度的TGS2600作为污染气体检测器件。

2.2 处理器

    TGS2600输出信号为模拟量,需要通过A/D转换电路转换为数字量后给处理器。处理器使用基于Cortex-M3内核的STM32F100R8单片机,内部包含16通道的12位ADC、RTC(Real-Time Clock,实时时钟)、51个通用I/O、64 KB Flash、8 KB RAM等资源。不仅可以满足对TGS2600输出模拟信号的采样与转换,还可以直接利用处理器内部的RTC为系统提供实时时间信息。

2.3 驱动模块

    驱动模块用于控制杀菌除臭模块和祛湿防霉模块的开启与关闭。相比机械式电磁开关,利用场效应管作为开关控制电路不仅电路体积小、重量轻,而且无机械触点,使用寿命长。本系统使用低压低导通电阻的场效应管SI2301,电路如图5所示。

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2.4 杀菌除臭模块

    紫外线具有极强的杀菌能力[6],尤其在波长为253.7 nm时紫外线的杀菌作用最强。利用臭氧的强氧化性可以达到很好的除臭效果[7]。由于鞋内空间狭小,选用能够产生微量臭氧的小型紫外灯泡,在发出紫外线的同时产生微量的臭氧,杀菌除臭同时进行。

2.5 祛湿防霉模块

    适宜的霉菌生长环境是导致鞋子发霉的一个主要因素[8],当环境温度为25 ℃~35 ℃,相对湿度高于60%(特别是在90%~100%的条件下)时最适宜霉菌生长。通过在鞋柜中加装通风和加热装置,将相对湿度控制在60%以下,能有效抑制霉菌生长。系统在鞋柜和鞋撑中安装发热膜和风扇,通过处理器的智能检测和控制算法,控制发热膜和风扇的工作,实现祛湿防霉功能。

2.6 WiFi模块

    WiFi模块用户实现智能鞋柜系统与云服务器和客户端的数据交互。鉴于系统传输的数据量较小,选用组网方式和网络拓扑灵活的ESP8266。ESP8266支持softAP模式、station模式、softAP+station共存模式。同时,ESP8266支持AT指令集和数据透明传输,外接微处理器可以通过串口向ESP8266发送AT指令,实现系统快速联网与数据传输。系统通过ESP8266数据交互的框图如图6所示。

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3 系统软件设计

3.1 控制系统主流程设计

    系统上电后,开始初始化、自检、传感器校正和网络连接,之后进入自动控制,运行流程如图7所示。

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3.2 智能检测与控制算法

    控制程序定期采集鞋柜和放置在鞋撑上的鞋子内的温湿度和空气质量信息,采样间隔时间为2 s。当连续采集5组数据后,对已采集的5组数据做平均算法处理,处理器根据处理结果,控制杀菌除臭和祛湿防霉模块工作。在杀菌除臭和祛湿防霉过程中,当检测到鞋子内的温湿度和空气质量达到正常时,为防止误判,控制程序先关闭杀菌除臭和祛湿防霉模块,等待10 min,等待期间若处理器再次检测到气氛不正常,则停止等待,继续杀菌除臭和祛湿防霉,否则判定处理完成。流程如图8所示。

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3.3 系统ID唯一性设计

    系统ID唯一性保证控制系统的安全性。在接收到远程控制命令后先校验接收数据报头与系统ID是否一致,防止误操作。系统ID来源于每个STM32芯片全球唯一96位ID,系统对这96位ID进行ASCII码转换,生成唯一的24位用户名和24位密码,并将信息上传到云服务器完成系统注册登记。

3.4 云服务器设计

    云服务器是鞋柜系统与客户端之间数据交互的桥梁,实现用户注册与远程登录访问功能。服务器运行状态直接影响到整个智能鞋柜系统的安全性与可靠性。客户端与服务器建立连接后,客户端向服务器发送数据信息,服务器接收信息后,根据请求类型,核对用户名和密码正确后作出相应的响应。服务器响应一个客户端请求的工作流程如图9所示。

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3.5 客户端设计

    客户端方便用户随时查看、控制鞋柜运行状态。在外网状态下,客户端数据来源于云服务器。家庭局域网状态下,客户端与鞋柜控制系统可通过WiFi模块直接进行数据交互。在使用过程中先通过客户端的设备绑定功能将客户端与鞋柜系统进行绑定,并通过客户端将家庭无线路由器的接入信息发送给鞋柜系统,绑定完成后,鞋柜系统自动连接网络。客户端运行流程如图10所示。

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3.6 WiFi一键配置程序设计

    WiFi一键配置的功能是让用户通过手机APP完成对WiFi模块的网络配置,使系统接入家庭无线网络。本系统使用的是SmartConfig技术,具体配置流程如图11所示。

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4 效果测试与分析

4.1 鞋柜祛湿功能测试

    分别选择潮湿和正常湿度天气条件时进行了三组测试,第一组和第二组对比测试鞋柜的祛湿功能,第二组和第三组对比测试在不同湿度环境条件下鞋柜祛湿的速度,测试结果如图12所示。

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    可以发现,系统除湿效果显著。智能鞋柜系统在处理器控制下自动工作,当检测到湿度超过60%RH时,系统自动开启祛湿模块,保持鞋柜内温湿度正常,防止鞋子发霉。当环境湿度较高时,从第二组和第三组数据可以看出,在较潮湿环境下,鞋柜系统除湿时间相比干燥环境下时有所增加。

4.2 鞋柜除臭功能测试

    除臭对象为穿了一天的运动鞋,将不带杀菌除臭模块的鞋撑放入左边鞋中,另一只鞋放入带有杀菌除臭模块的鞋撑。放好鞋后,系统自动开始工作,测试结果如图13所示。

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    开始一分钟内,由于鞋内污染浓度较高,传感器检测结果迅速上升,不带除臭功能模块的鞋内污染气体浓度在之后一段时间始终保持在较高污染浓度范围;带除臭功能模块的鞋内污染气体浓度则上升到最高值后,呈现明显的下降趋势,在10分钟之后,鞋内污染气体浓度达到系统设定的正常范围。

5 结论

    本文提出了一种基于物联网的智能鞋柜系统,系统具有杀菌除臭、祛湿防霉、语音提示、时间显示等功能,并能通过客户端实现远程信息查看与控制。可通过增加客户端界面接口,实现智能鞋柜系统与其他智能家居系统的联接。实际测试结果表明,系统祛湿、除臭效果明显,操作简单,各模块均使用直流供电,功耗低,运行安全稳定。

参考文献

[1] 欧阳亚秋,唐宗渤,刘洪林.一种新型智能电子消毒鞋柜的设计与实现[J].微型机与应用,2012,31(7):96-98.

[2] 房夏.中国物联网的现状及其发展因素分析[J].电子技术应用,2010,38(6):6-7.

[3] 李志宇.物联网技术研究进展[J].计算机测量与控制,2012,20(6):1445-1448.

[4] 朱敏玲,李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J].电视技术,2015,39(4):82-85.

[5] 陈罘杲,刘泽顺,高明.鞋内恶臭气体理论及控制净化技术研究[J].西部皮革,2007,29(9):47-50.

[6] 杨茜.紫外线杀菌灯的技术及应用[J].常规医疗装备,2005,30(2):7-10.

[7] 彭颐,洪燕峰.臭氧氧化技术除臭效果的研究[J].华西医学,2009(4):907-909.

[8] 苗宇,何兴旺.针对鞋企及鞋类产品防霉措施的探讨和研究[J].西部皮革,2014(15):46-48.

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