基于STM32技术的自动晒衣系统_孙健.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师基于STM32技术的自动晒衣系统孙健，郭长城（江海职业技术学院 机电汽车学院，江苏 扬州 225101）0引言智能家居以家庭住宅为平台，将家居生活的有关设施集成，为人们提供舒适、便利、安全的居住环境1-2。国内外学者运用传感器、数据挖掘、机器学习和单片机技术在人体日常活动识别3-4、智能健康监测5、家居能源管理6、家居温度预测7、智能窗居8-12和智能晾衣13-16等方面进行了大量有益研究。本文提出一种基于传感技术的自动晾衣方法，通过压电传感器监测雨滴冲击信号，依据监测数据确定大雨来袭的环境特征，运用嵌入式ARM技术开发了基于传感技术的自动晾衣系统，并在试验中检验了系统的可行性。1系统总体方案设计基于传感技术的环境自适应晾衣系统包含雨滴监测模块、嵌入式主控单元、电动机调速驱动电路模块、电动推杆、晾衣机构、USB通信模块、上位机和人机交互界面。采用压电传感原理监测雨滴冲击信号，对传感器敏感板上单位时间内的雨滴冲击信号进行计数。嵌入式主控单元接收雨滴监测数据，并依据调控规则输出伸缩信号。电动机调速驱动电路将伸缩信号转换为可变方向驱动电流，控制电动推杆内的步进电动机正转和反转、电动推杆伸出和缩回，进而控制晾衣机构的晾衣杆伸出和缩回。USB通信模块将环境监测值上传至上位机保存，并在人机交互界面上显示。2系统硬件设计2.1主控单元采用STM32F4作为主控制器，搭建嵌入式环境自适应晾衣系统的硬件平台。STM32F4拥有FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC和DMA等众多外设及功能，具有极高的集成度，采用ARM Cortex-M4内核，拥有更强劲的性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本和低功耗等众多优势。采用板载12位ADC接口获取3路传感器模拟信号并转换为数字信号。板载TTL电平DIO接口输出两路“伸出/缩回”控制信号。板载5 V电源给传感器模块供电。STM32F4由太阳能蓄电池供电。板载USB总线实时上传监测数据给上位机PC。2.2雨滴冲击信号监测模块雨滴监测传感模块如图2所示。压电陶瓷片附着于敏摘要：使用微处理器STM32F407的标准I/O接口采集了雨滴冲击信号并进行了A/D转换，依据环境监测数据自动输出晾衣架伸缩动作控制信号。设计了自动伸缩晾衣架的结构，以及嵌入式智能晒衣系统的硬件和软件。搭建了晒衣系统试验台架，并完成了台架试验。试验结果表明：所设计的智能晒衣系统能够适应雨天的环境变化，及时完成衣架伸缩动作。该系统实用性较强，能够为智能家居系统提供技术支撑。关键词：自动化；晒衣系统；传感技术；试验研究；智能家居中图分类号:TP 272；TP 368.1文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08011003Design of Automatic Clothes Hanger Based on STM32 TechnologySUN Jian,GUO Changcheng(Jianghai Polytechnic College,Yangzhou 225101,China)Abstract:The standard I/O interface of the microprocessor STM32f407 is used to collect the raindrop impact signal,A/Dconversion is carried out.According to the environmental monitoring data,the control signal of the clothes rack telescopicaction is output automatically.The structure design of the automatic telescopic clothes drying rack is carried out,thehardware and software design of the embedded intelligent clothes hanger system is completed,and the test bench of theclothes drying system is built and completed.The test results show that the designed intelligent clothes drying system canadapt to the environmental changes in rainy days and complete the telescopic action of clothes hangers in time.Thehanger system is practical and can provide technical support for the smart home system.Keywords:automation;clothes hanger;sensing technology;experimental research;smart home基金项目：江海职业技术学院“2021教学质量提升年”立项课题“基于传感器技术的智能晾衣架技术改造”（2021jhky001）图1基于传感技术的自动晾衣系统总体方案图110MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师感板背后，铁皮为0.2 mm厚，压电陶瓷共振频率为3.9 kHz17。监测雨滴的方法包括电容式、电阻式、红外线、压电振子式和CCD视觉式。其中电容、电阻、红外和压电原理的研究成果较多，CCD视觉式监测方法较复杂，成本较高。大雨骤下时，大颗雨滴冲击敏感板，立即形成振动电信号，振动电信号经A/D转换后传送至控制单元，控制单元依据阈值判断当前环境为大雨，雨滴冲击信号如图3所示。一般地，大雨初下时雨滴较为稀疏，当单位时间（1 s）内有数颗雨滴落在敏感板上形成冲击信号时，即可判定有雨，主控单元及时发出收回衣物控制信号。2.3电动推杆驱动模块选用行程100 mm电动推杆执行晾衣杆的伸缩动作。为驱动电动推杆内的步进电动机实现正反转，采用PWM直流电动机调速模块，该模块输入电压为624 V直流电，最大驱动电流为3 A，2只手动按钮和1只旋钮调节正反转和转速。为实现电动推杆的自动伸缩动作，在2只手动按钮上并 接 2 只继 电 器，继电器的控制端连接 STM32主控单元的 两 个DIO引脚。主控单元的内部连线 如 图 4所示。3系统软件设计3.1系统主程序程序开始运行后，首先初始化系统，包括STM32系统初始化，缩回电动推杆并标记为缩回状态0，设置缩回阈值1，设置伸出阈值2。然后调用雨滴冲击信号子程序获取单位时间雨滴冲击信号R。接着获取推杆状态数据：1为伸出状态，0为缩回状态；若推杆处于缩回状态0，就进行以下推理：R2？若成立就缩回推杆并标记为缩回状态0，若不成立就返回调用监测子程序。最后判断程序是否停止，如不停止则返回继续调用监测子程序，如停止则结束自动控制。自动晾衣系统主程序流程如图5所示。3.2雨滴冲击监测子程序子程序调用后，首先对GPIO口进行初始化，设置计数变量N初始值为0，单位时间雨滴冲击信号R初始值为0，阈值为40。然后读取压电陶瓷上的电信号并将其转换为冲击强度值K，K为04095之间的数值，K值越大表示雨滴冲击信号越强，K大于阈值时将K值累计进R内，计数变量N加1，此过程设定时间为10 ms，共循环100次，监测时间为1 s，即统计1 s内累计发生的雨滴冲击信号值。最后返回1 s内的雨滴冲击信号值，该值越大代表雨滴冲击强度较大或者冲击频率较快，一定程度上该值可以用于表示雨量的大小。雨滴冲击监测子程序流程如图6所示。4试验结果及分析4.1试验台架图7为环境自适应晒衣系统试验台架。衣架的伸缩动作由电动推杆完成，推杆图2雨滴监测传感模块图3雨滴冲击信号图4主控单元内部连线图图5自动晾衣系统主程序流程图开始初始化系统调用雨滴冲击信号监测子程序存储和显示 R 数据推杆处于什么状态？缩回伸出否否是是R2？电动推杆伸出并标记电动推杆缩回并标记否停止？是结束图6雨滴冲击监测子程序流程图GPIO 口初始化，N0，R0，40NN1接收电信号AD 转换为冲击强度值 KK？RRKN100？返回 R 值是否否是111MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师（上接第109页）6日本工业标准题录.J51机床零部件滚珠丝杠:JIS B1192-1997S.7成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2007.（编辑邵明涛）作者简介：李帅（1988）,男,硕士,讲师,研究方向为现代机械设计理论与方法；姚引婧（1984）,女,硕士,副教授,研究方向为现代机械设计理论与方法。通信作者：姚引婧,。收稿日期:2022-08-12通过支撑座固定于衣架下方，推杆伸缩杆上攻螺纹孔，螺杆连接伸缩杆和U形件，U形件与衣架相连，形成衣架伸缩动作执行机构，如图7（a）所示。伸缩衣架和储物架固定，储物架起稳定作用，太阳能供电模块、光湿雨环境传感装置和主控单元置于储物架横板上，衣架的伸出和缩回状态如图7（b）和图7（c）所示。试验时，将环境自适应晒衣系统试验台架放在露天处，分别检验不同的气候环境下装置的有效性和可靠性。4.2试验结果和分析选择江苏省扬州市作为试验地。扬州地区为北亚热带季风气候，具有四季分明、温暖湿润和雨量充沛的特点，地理上北濒长江，西高东低，地势起伏，地貌不一，易形成特殊的局部气候，较明显的是：梅雨强度大；台风影响频繁，平均每年23次，但正面影响小，多带来雨水；夏末多连绵阴雨天气。2021年9月中旬，将环境自适应晒衣试验台架放在露天处，采集6 h环境数据和晒衣架伸缩状态，如表1所示。状态1为雨前状态，此时没有大雨滴冲击敏感板，衣架一直处于伸出状态；至状态2（大雨滴初下）时，敏感板收到冲击信号，衣架缩回；状态3时衣架一直缩回；状态4和状态5时雨停，衣架自动伸出并保持。5结论本文开发了一种自动晾衣系统，设计了具备伸缩功能的晾衣架结构，利用STM32F407微处理器进行了雨滴冲击信号采集和数据处理，实现了晾衣架伸缩状态的自动调节。试验表明，该系统工作稳定、可靠、实时，能够实现晾衣架无人值守下的自动伸缩动作。参考文献1王基策,李意莲,贾岩,等.智能家居安全综述J.计算机研究与发展,2018,55(10):2111-2124.2RAHIMI M,SONGHORABADI M,KASHANI M H.Fog-basedSmart Homes:a Systematic ReviewJ.Journal of Network andComputer Applications,2020,153:1-20.3BOUCHARDK,MAITREJ,BERTUGLIAC,etal.ActivityRecognition in Smart Homes Using UWB Radars J.ProcediaComputer Science,2020,170:10-17.4ELDIBM,PHILIPSW,AGHAJANH.DiscoveringHumanActivities from Binary Data in Smart HomesJ.Sensors,2020,20(9).5MSHALI H,LEMLOUMA T,MOLONEY M,et al.A Survey onHealthMonitoringSystemsforHealthSmartHomes J .International Journal of Industrial Ergonomics,2018,66:2656.6HAN D M,LIM J H.Smart Home Energy Management SystemUsing IEEE 802.15.4 and ZigbeeJ.IEEE Transactions onConsumer Electronics,2010,56(3):1403-1410.7SPENCERB,ALFANDIO,AL-OBEIDATF.ForecastingTemperatureinaSmartHomewithSegmentedLinearRegressionJ.Procedia Computer 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