0 引言

    目前國內(nèi)大部分智能鞋柜利用光觸媒、PTC等方法^[1]，通過手動設(shè)定工作時間，在設(shè)定的工作時間內(nèi)利用光觸媒和熱風循環(huán)對鞋柜進行除臭、祛濕。這種方法效果一般，不能去除存在于鞋子內(nèi)部的有害細菌，而且采用手動、定時控制方式，系統(tǒng)獨立運行，與PC或手機客戶端無數(shù)據(jù)交互，無法遠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]對傳統(tǒng)鞋柜進行結(jié)構(gòu)改造和功能升級，鞋柜在儲存鞋子的同時具備殺菌除臭、祛濕防霉、遠程監(jiān)控等功能，并利用智能控制算法，實現(xiàn)鞋柜系統(tǒng)自動控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

    基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜系統(tǒng)功能包括溫濕度檢測、空氣質(zhì)量檢測、祛濕防霉、殺菌除臭、遠程控制、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)拓撲如圖1所示。云服務(wù)器實現(xiàn)鞋柜控制端與客戶端的數(shù)據(jù)交換。客戶端用于遠程監(jiān)控鞋柜運行狀態(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)請求，解析出控制命令，響應(yīng)遠程控制。鞋柜控制端通過傳感器探測鞋柜及鞋內(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)計框圖如圖2所示。

1.2 鞋柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

    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鞋子內(nèi)部進行有效的殺菌除臭、祛濕防霉。同時，利用安裝于鞋柜內(nèi)的溫濕度傳感器智能檢測鞋柜內(nèi)溫濕度，根據(jù)檢測結(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

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)量標準》，室內(nèi)空氣溫濕度標準為：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)境條件下的測量需求。

2.1.2 氣敏傳感器

    鞋內(nèi)惡臭氣體種類較多，對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，由于細菌、蛋白腐爛導致氨、硫化氫、甲醛、苯等氣體較多。基于此，選用對VOC(揮發(fā)性有機物，包括：苯系物、胺、醇等)、氣味與污染空氣有高靈敏度的TGS2600作為污染氣體檢測器件。

2.2 處理器

    TGS2600輸出信號為模擬量，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，內(nèi)部包含16通道的12位ADC、RTC（Real-Time Clock，實時時鐘）、51個通用I/O、64 KB Flash、8 KB RAM等資源。不僅可以滿足對TGS2600輸出模擬信號的采樣與轉(zhuǎn)換，還可以直接利用處理器內(nèi)部的RTC為系統(tǒng)提供實時時間信息。

2.3 驅(qū)動模塊

    驅(qū)動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。相比機械式電磁開關(guān)，利用場效應(yīng)管作為開關(guān)控制電路不僅電路體積小、重量輕，而且無機械觸點，使用壽命長。本系統(tǒng)使用低壓低導通電阻的場效應(yīng)管SI2301，電路如圖5所示。

2.4 殺菌除臭模塊

    紫外線具有極強的殺菌能力^[6]，尤其在波長為253.7 nm時紫外線的殺菌作用最強。利用臭氧的強氧化性可以達到很好的除臭效果^[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)出紫外線的同時產(chǎn)生微量的臭氧，殺菌除臭同時進行。

2.5 祛濕防霉模塊

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

2.6 WiFi模塊

    WiFi模塊用戶實現(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)拓撲靈活的ESP8266。ESP8266支持softAP模式、station模式、softAP+station共存模式。同時，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

3.1 控制系統(tǒng)主流程設(shè)計

    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，之后進入自動控制，運行流程如圖7所示。

3.2 智能檢測與控制算法

    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，采樣間隔時間為2 s。當連續(xù)采集5組數(shù)據(jù)后，對已采集的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，當檢測到鞋子內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量達到正常時，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

    系統(tǒng)ID唯一性保證控制系統(tǒng)的安全性。在接收到遠程控制命令后先校驗接收數(shù)據(jù)報頭與系統(tǒng)ID是否一致，防止誤操作。系統(tǒng)ID來源于每個STM32芯片全球唯一96位ID，系統(tǒng)對這96位ID進行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)注冊登記。

3.4 云服務(wù)器設(shè)計

    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，實現(xiàn)用戶注冊與遠程登錄訪問功能。服務(wù)器運行狀態(tài)直接影響到整個智能鞋柜系統(tǒng)的安全性與可靠性。客戶端與服務(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)請求類型，核對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)一個客戶端請求的工作流程如圖9所示。

3.5 客戶端設(shè)計

    客戶端方便用戶隨時查看、控制鞋柜運行狀態(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)自動連接網(wǎng)絡(luò)。客戶端運行流程如圖10所示。

3.6 WiFi一鍵配置程序設(shè)計

    WiFi一鍵配置的功能是讓用戶通過手機APP完成對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 效果測試與分析

4.1 鞋柜祛濕功能測試

    分別選擇潮濕和正常濕度天氣條件時進行了三組測試，第一組和第二組對比測試鞋柜的祛濕功能，第二組和第三組對比測試在不同濕度環(huán)境條件下鞋柜祛濕的速度，測試結(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工作，當檢測到濕度超過60%RH時，系統(tǒng)自動開啟祛濕模塊，保持鞋柜內(nèi)溫濕度正常，防止鞋子發(fā)霉。當環(huán)境濕度較高時，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)除濕時間相比干燥環(huán)境下時有所增加。

4.2 鞋柜除臭功能測試

    除臭對象為穿了一天的運動鞋，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)自動開始工作，測試結(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，在10分鐘之后，鞋內(nèi)污染氣體濃度達到系統(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、時間顯示等功能，并能通過客戶端實現(xiàn)遠程信息查看與控制。可通過增加客戶端界面接口，實現(xiàn)智能鞋柜系統(tǒng)與其他智能家居系統(tǒng)的聯(lián)接。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)祛濕、除臭效果明顯，操作簡單，各模塊均使用直流供電，功耗低，運行安全穩(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

（武漢大學 物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢430072）