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]，通過手動設定工作時間,，在設定的工作時間內(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,。本文結合現(xiàn)代電子技術,、物聯(lián)網(wǎng)技術^[2，3]和“云+端”智能家居模式^[4]對傳統(tǒng)鞋柜進行結構改造和功能升級,，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)總體設計

1.1 功能設計

    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)由三大部分構成：鞋柜控制端、云服務器和客戶端,。系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲如圖1所示,。云服務器實現(xiàn)鞋柜控制端與客戶端的數(shù)據(jù)交換?？蛻舳擞糜谶h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,，通過接收客戶端的網(wǎng)絡請求,，解析出控制命令，響應遠程控制,。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,。鞋柜控制端總體設計框圖如圖2所示,。

1.2 鞋柜結構設計

    鞋柜整體結構如圖3所示。采用分區(qū)處理技術,，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)檢測結果控制鞋柜內(nèi)的祛濕防霉模塊,，使鞋柜內(nèi)空氣質量保持最佳狀態(tài),。

2 系統(tǒng)硬件設計

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、空氣質量信息和感應開關輸出的高低電平量,。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^[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,?；诖耍x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轉換電路轉換為數(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 驅動模塊

    驅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閉,。相比機械式電磁開關，利用場效應管作為開關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)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)主流程設計

    系統(tǒng)上電后,，開始初始化,、自檢、傳感器校正和網(wǎng)絡連接,，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)的溫濕度和空氣質量達到正常時,，為防止誤判,，控制程序先關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器完成系統(tǒng)注冊登記,。

3.4 云服務器設計

    云服務器是鞋柜系統(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,。客戶端與服務器建立連接后,，客戶端向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)信息,，服務器接收信息后，根據(jù)請求類型,，核對用戶名和密碼正確后作出相應的響應,。服務器響應一個客戶端請求的工作流程如圖9所示。

3.5 客戶端設計

    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?？蛻舳诉\行流程如圖10所示,。

3.6 WiFi一鍵配置程序設計

    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)絡配置，使系統(tǒng)接入家庭無線網(wǎng)絡,。本系統(tǒng)使用的是SmartConfig技術,，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)設定的正常范圍,。

5 結論

    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,?？赏ㄟ^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,，王  皓,，陳少勇，黃啟俊,，常  勝,，王  豪,，何  進

（武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430072）