基于STM32單片機的智能衣柜系統(tǒng)設(shè)計方案

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，智能家居已成為潮流，而智能衣柜作為其重要組成部分，正逐步從概念走向現(xiàn)實。傳統(tǒng)衣柜功能單一，難以滿足現(xiàn)代生活對便捷性、智能化和個性化的需求。本設(shè)計方案旨在基于ST公司的STM32系列單片機，開發(fā)一款功能完善、性能穩(wěn)定、用戶體驗優(yōu)異的智能衣柜系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具備基本的衣物存儲功能，更集成了環(huán)境監(jiān)測、智能除濕、防霉防蛀、智能燈光、語音控制、遠程管理等多項智能化功能，為用戶提供一個全新的衣物管理體驗，有效解決衣物受潮、發(fā)霉、異味等常見問題，延長衣物壽命，提升生活品質(zhì)。

本設(shè)計將深入探討系統(tǒng)的硬件組成、軟件架構(gòu)、核心模塊實現(xiàn)以及關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)，并詳細闡述所選元器件的型號、功能及其選擇理由。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計

本智能衣柜系統(tǒng)以STM32F103系列單片機作為核心控制器，構(gòu)建一個集數(shù)據(jù)采集、處理、控制與通信于一體的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計可分為硬件平臺和軟件平臺兩大部分。硬件平臺主要包括主控模塊、傳感器模塊、執(zhí)行模塊、人機交互模塊和通信模塊。軟件平臺則負(fù)責(zé)底層驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、算法實現(xiàn)以及通信協(xié)議棧的構(gòu)建。系統(tǒng)將通過各模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)對衣柜內(nèi)部環(huán)境的實時監(jiān)測與智能調(diào)節(jié)，以及用戶與衣柜的便捷交互。

2. 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊是整個智能衣柜系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有硬件資源，執(zhí)行軟件指令，實現(xiàn)各項功能。

元器件選型： STM32F103C8T6微控制器

選擇理由：

• 高性能與低功耗： STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻高達72MHz，擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足系統(tǒng)多任務(wù)并行處理的需求。同時，其低功耗特性使其在長時間運行下也能保持穩(wěn)定，符合智能家居產(chǎn)品對節(jié)能的要求。

• 豐富的外設(shè)接口： STM32F103C8T6集成了豐富的通用外設(shè)，如GPIO、USART、SPI、I2C、ADC、定時器等，這些接口為連接各種傳感器、執(zhí)行器和通信模塊提供了便利，大大簡化了硬件設(shè)計。例如，多個GPIO口可以用于驅(qū)動LED、控制繼電器；ADC可用于采集模擬傳感器數(shù)據(jù)；USART可用于與藍牙模塊通信；定時器可用于PWM控制風(fēng)扇和加熱片。

• 大容量存儲： 內(nèi)置64KB Flash和20KB RAM，足以存儲復(fù)雜的應(yīng)用程序代碼和運行所需的數(shù)據(jù)，為后續(xù)功能擴展預(yù)留了空間。

• 開發(fā)生態(tài)完善： STM32系列擁有成熟的開發(fā)工具鏈（如Keil MDK、STM32CubeIDE）、豐富的庫函數(shù)和活躍的開發(fā)者社區(qū)，為開發(fā)調(diào)試提供了極大便利，縮短了開發(fā)周期。

• 成本效益： 相較于其他高性能處理器，STM32F103C8T6具有較高的性價比，符合智能家居產(chǎn)品對成本控制的要求。

元器件功能：

• 中央處理器（CPU）： 執(zhí)行系統(tǒng)指令，進行數(shù)據(jù)運算和邏輯判斷。

• 存儲器（Flash/RAM）： Flash用于存儲程序代碼，RAM用于存儲運行時數(shù)據(jù)和變量。

• GPIO（通用輸入/輸出）： 控制各種外部設(shè)備的狀態(tài)，如LED指示燈、繼電器、傳感器使能等。

• ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）： 將傳感器輸出的模擬信號（如溫濕度傳感器、VOC傳感器）轉(zhuǎn)換為單片機可處理的數(shù)字信號。

• USART（通用同步異步收發(fā)器）： 用于與外部模塊進行串行通信，例如與藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

• SPI（串行外設(shè)接口）： 用于與SPI總線設(shè)備進行高速通信，例如與某些傳感器或存儲器進行數(shù)據(jù)交換。

• I2C（集成電路間總線）： 用于與I2C總線設(shè)備進行通信，例如與OLED顯示屏、EEPROM等。

• TIM（定時器）： 提供精確的時間基準(zhǔn)，用于生成PWM波形控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、加熱片功率，以及實現(xiàn)各種定時任務(wù)。

• NVIC（嵌套向量中斷控制器）： 管理中斷優(yōu)先級，確保系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集衣柜內(nèi)部環(huán)境的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為智能控制提供依據(jù)。

2.2.1 溫濕度傳感器

元器件選型： DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

選擇理由：

• 性價比高： DHT11是一款價格低廉、易于使用的數(shù)字溫濕度傳感器，適合大規(guī)模應(yīng)用。

• 數(shù)字輸出： 直接輸出數(shù)字信號，無需復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，簡化了硬件設(shè)計和軟件編程。

• 單一總線接口： 采用單總線通信方式，只需一個GPIO口即可與單片機通信，節(jié)省了寶貴的I/O資源。

• 精度滿足需求： 在一般智能衣柜應(yīng)用中，DHT11的溫濕度測量精度（溫度 ±2°C，濕度 $pm5%$RH）足以滿足環(huán)境監(jiān)測和控制的需求。

元器件功能：

• 溫度測量： 通過NTC熱敏電阻原理，測量環(huán)境溫度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

• 濕度測量： 通過電容式濕敏電阻原理，測量環(huán)境相對濕度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

2.2.2 VOC（揮發(fā)性有機化合物）氣體傳感器

元器件選型： MQ-135空氣質(zhì)量傳感器

選擇理由：

• 靈敏度高： MQ-135對多種有害氣體（如氨氣、硫化物、苯系物、酒精、煙霧等）具有高靈敏度，能夠有效監(jiān)測衣柜內(nèi)的異味和有害氣體濃度。

• 模擬輸出： 輸出模擬電壓信號，通過STM32的ADC模塊進行采集和量化，便于進行濃度判斷。

• 成本低廉： 廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域，成本效益顯著。

元器件功能：

• 氣體檢測： 內(nèi)部加熱絲加熱敏感元件，使其對目標(biāo)氣體產(chǎn)生電阻變化，從而輸出與氣體濃度成比例的模擬電壓信號。通過ADC采集該電壓信號，結(jié)合標(biāo)定曲線即可估算出VOC濃度，用于判斷衣柜內(nèi)是否存在異味或有害氣體。

2.2.3 光照傳感器

元器件選型： BH1750FVI數(shù)字光照傳感器

選擇理由：

• 數(shù)字輸出： BH1750FVI是一款I(lǐng)2C接口的數(shù)字光照度傳感器，直接輸出勒克斯（Lux）單位的光照強度值，無需外部ADC轉(zhuǎn)換，簡化了電路設(shè)計。

• 測量范圍廣： 測量范圍從1 Lux到65535 Lux，能夠滿足衣柜內(nèi)部照明的亮度感知需求。

• 高分辨率： 提供高分辨率的測量結(jié)果，有助于實現(xiàn)更精細的智能燈光控制。

元器件功能：

• 光照強度檢測： 將環(huán)境光強度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過I2C總線發(fā)送給單片機。系統(tǒng)可根據(jù)光照強度自動調(diào)節(jié)衣柜照明燈的亮度或開關(guān)，提升用戶體驗并節(jié)約能源。

2.2.4 紅外人體感應(yīng)傳感器

元器件選型： HC-SR501 PIR人體紅外感應(yīng)模塊

選擇理由：

• 高靈敏度： 對人體移動產(chǎn)生的紅外線有很高的靈敏度，響應(yīng)速度快，誤報率低。

• 數(shù)字輸出： 當(dāng)檢測到人體移動時，輸出高電平信號，可以直接作為STM32的GPIO輸入。

• 成本低廉、易于集成： 模塊化設(shè)計，接口簡單，便于在衣柜內(nèi)部安裝。

元器件功能：

• 人體移動檢測： 感應(yīng)人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)檢測到人體進入衣柜感應(yīng)范圍時，觸發(fā)開關(guān)信號，可用于自動開啟衣柜燈、啟動歡迎語等。

2.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊根據(jù)主控模塊的指令，實現(xiàn)對衣柜內(nèi)部環(huán)境的物理調(diào)節(jié)。

2.3.1 除濕模塊

元器件選型： 5V微型直流離心風(fēng)扇（如JYS-5015B），半導(dǎo)體制冷片（TEC1-12706），鋁散熱片，溫度開關(guān)（常閉型，50℃）

選擇理由：

• 離心風(fēng)扇： 體積小巧，風(fēng)量適中，適用于衣柜內(nèi)部空間。直流供電，可通過PWM調(diào)速，實現(xiàn)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)。

• 半導(dǎo)體制冷片（TEC1-12706）： 基于珀爾帖效應(yīng)，通電后一面制冷，一面制熱。通過控制電流方向和大小可實現(xiàn)制冷和制熱功能。此處利用其制冷特性，使空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水，實現(xiàn)除濕。TEC1-12706具有較大的溫差能力和良好的制冷效率。

• 鋁散熱片： 用于將制冷片產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)到空氣中，確保制冷片高效工作，避免過熱損壞。

• 溫度開關(guān)： 作為過熱保護機制，當(dāng)散熱端溫度過高時自動斷開電路，保護半導(dǎo)體制冷片。

元器件功能：

• 離心風(fēng)扇： 強制空氣流通，將衣柜內(nèi)的濕熱空氣引導(dǎo)至半導(dǎo)體制冷片的冷端。

• 半導(dǎo)體制冷片： 冷端溫度低于露點，使流經(jīng)的濕空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水滴，達到除濕效果。

• 鋁散熱片： 將制冷片熱端產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出，維持制冷片正常工作。

• 溫度開關(guān)： 當(dāng)散熱片溫度超過預(yù)設(shè)閾值時（例如50℃），自動斷開電源，防止制冷片過熱損壞，提高系統(tǒng)安全性。

除濕原理： 將衣柜內(nèi)的濕空氣通過風(fēng)扇吸入，流經(jīng)半導(dǎo)體制冷片的冷端。由于冷端溫度低于空氣的露點溫度，空氣中的水蒸氣會凝結(jié)成液態(tài)水，匯集到集水盒中。干燥后的空氣再通過風(fēng)扇排出，從而降低衣柜內(nèi)的濕度。

2.3.2 智能燈光模塊

元器件選型： WS2812B可尋址RGB LED燈帶，大功率NPN三極管（如S8050）或MOSFET管（如AO3400A）

選擇理由：

• WS2812B： 集成驅(qū)動IC和RGB LED于一體，單線控制，可級聯(lián)，方便實現(xiàn)流光、跑馬燈等多種動態(tài)燈光效果，提升衣柜的智能化和美觀度。

• 三極管/MOSFET： 用于控制燈帶的電源通斷，實現(xiàn)開關(guān)燈功能。MOSFET相比三極管具有更低的導(dǎo)通電阻，更適合驅(qū)動大電流負(fù)載。

元器件功能：

• WS2812B： 通過單片機發(fā)送的特定協(xié)議數(shù)據(jù)，獨立控制每個LED的顏色和亮度，實現(xiàn)場景燈光、感應(yīng)亮燈、氛圍燈等功能。

• 三極管/MOSFET： 接收單片機PWM信號，作為開關(guān)驅(qū)動電路，控制WS2812B燈帶的供電，從而實現(xiàn)燈帶的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。

2.3.3 防霉防蛀模塊

元器件選型： 小型紫外線UV-C燈珠（如UV-C LED 270nm-280nm），臭氧發(fā)生器（低濃度微型模塊），繼電器（5V），MOSFET管（如IRF540N）

選擇理由：

• UV-C燈珠： 特定波長的紫外線（UV-C，200-280nm）具有殺菌消毒作用，可有效抑制霉菌和螨蟲生長。選擇LED燈珠而非傳統(tǒng)汞燈，更環(huán)保、壽命更長、體積更小。

• 臭氧發(fā)生器： 臭氧具有強氧化性，可殺滅細菌、霉菌，并分解異味。選擇低濃度微型模塊，確保臭氧濃度在安全范圍內(nèi)。

• 繼電器： 用于隔離強電與弱電，安全控制UV燈和臭氧發(fā)生器的電源通斷。由于UV燈和臭氧發(fā)生器可能需要較高的電壓或電流，通過繼電器驅(qū)動更為安全可靠。

• MOSFET管： 用于驅(qū)動繼電器，提供足夠的驅(qū)動電流。

元器件功能：

• UV-C燈珠： 產(chǎn)生特定波長的紫外線，破壞細菌和霉菌的DNA結(jié)構(gòu)，抑制其繁殖，達到殺菌防霉效果。

• 臭氧發(fā)生器： 產(chǎn)生少量臭氧，利用其強氧化性殺滅細菌、霉菌和分解異味分子，實現(xiàn)防霉、除異味和防蛀功能。

• 繼電器： 接收單片機控制信號，控制UV燈和臭氧發(fā)生器的電源回路，實現(xiàn)安全開關(guān)。

• MOSFET管： 作為單片機與繼電器之間的接口，提供足夠的驅(qū)動電流來吸合繼電器。

安全注意事項： UV-C燈具有一定危險性，直接照射可能損傷皮膚和眼睛。因此，系統(tǒng)設(shè)計時必須嚴(yán)格控制UV燈的開啟條件，例如：

• 僅在衣柜門關(guān)閉且無人在場時開啟。

• 設(shè)置定時開啟，每次工作時間不宜過長。

• 可配合人體感應(yīng)傳感器，確保有人靠近時自動關(guān)閉。

• 建議配備警示燈或語音提示，告知用戶UV燈正在工作。

• 臭氧發(fā)生器同樣需要注意濃度控制，低濃度短時間使用是安全的，但長時間高濃度可能對人體有害。

2.4 人機交互模塊

人機交互模塊是用戶與智能衣柜系統(tǒng)進行溝通的橋梁。

2.4.1 OLED顯示屏

元器件選型： 0.96寸I2C接口OLED顯示屏（SSD1306驅(qū)動）

選擇理由：

• 自發(fā)光： OLED無需背光，對比度高，視角廣，在暗光環(huán)境下顯示效果極佳。

• 功耗低： 特別適合電池供電或?qū)挠袊?yán)格要求的應(yīng)用。

• 尺寸小巧： 0.96寸體積小巧，便于集成到衣柜面板上，不占用過多空間。

• I2C接口： 只需要兩根數(shù)據(jù)線（SDA和SCL）即可與單片機通信，節(jié)省了寶貴的GPIO資源。

• 成本合理： 價格適中，易于采購。

元器件功能：

• 信息顯示： 顯示衣柜內(nèi)部的實時溫濕度、VOC濃度、系統(tǒng)狀態(tài)、除濕模式、燈光模式等信息，方便用戶直觀了解衣柜運行狀況。

• 菜單導(dǎo)航： 可用于顯示操作菜單，配合按鍵實現(xiàn)各項功能的設(shè)置和選擇。

2.4.2 按鍵模塊

元器件選型： 輕觸按鍵

選擇理由：

• 成本低廉： 輕觸按鍵是最常見的按鍵類型，價格極其低廉。

• 易于安裝： 體積小巧，便于在面板上布局。

• 反饋良好： 具有明確的觸覺反饋，方便用戶操作。

元器件功能：

• 功能選擇與設(shè)置： 用于切換顯示界面、選擇工作模式（如自動除濕、手動除濕、殺菌模式）、調(diào)整參數(shù)（如定時時長）等。

• 電源控制： 作為主電源開關(guān)或待機/喚醒按鍵。

2.4.3 語音識別模塊（可選）

元器件選型： LD3320離線語音識別模塊 或 離線語音識別芯片（如SYN6288）

選擇理由：

• 提升用戶體驗： 語音控制是智能家居的重要趨勢，能極大提升用戶操作的便捷性和科技感。用戶無需觸摸按鍵即可控制衣柜功能。

• 離線識別： 不依賴網(wǎng)絡(luò)連接，響應(yīng)速度快，保護用戶隱私，不受網(wǎng)絡(luò)波動影響。LD3320模塊可實現(xiàn)自定義喚醒詞和指令詞。

• 集成度高： 模塊集成了麥克風(fēng)、語音處理芯片等，簡化了硬件設(shè)計。

元器件功能：

• 語音指令識別： 識別用戶發(fā)出的語音指令，如“打開衣柜燈”、“開始除濕”、“查詢溫度”等，并轉(zhuǎn)換為單片機可識別的信號，從而控制相應(yīng)的功能。

2.4.4 蜂鳴器

元器件選型： 有源蜂鳴器

選擇理由：

• 結(jié)構(gòu)簡單： 有源蜂鳴器內(nèi)部集成了震蕩電路，只需通電即可發(fā)聲。

• 成本低廉： 是一種非常經(jīng)濟的音頻提示器件。

元器件功能：

• 聲音提示： 在特定事件發(fā)生時發(fā)出提示音，如衣柜門未關(guān)好、除濕完成、故障報警等，提醒用戶。

2.5 通信模塊

通信模塊實現(xiàn)智能衣柜與外部設(shè)備（如手機APP）的數(shù)據(jù)交互。

2.5.1 藍牙模塊

元器件選型： HC-05或HC-06藍牙串口模塊

選擇理由：

• 近距離通信： 藍牙技術(shù)適用于智能衣柜與用戶手機在近距離內(nèi)的無線通信。

• 成本低廉： HC-05/06模塊價格非常親民。

• 易于開發(fā)： 模塊內(nèi)部集成了藍牙協(xié)議棧，通過串口（UART）即可與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸，編程簡單。

• 低功耗： 藍牙低功耗（BLE）版本更適合智能家居設(shè)備，能夠延長待機時間。

元器件功能：

• 數(shù)據(jù)傳輸： 實現(xiàn)衣柜系統(tǒng)與手機APP之間的數(shù)據(jù)交互，包括：

• 將衣柜內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、VOC濃度）實時上傳至手機APP。

• 接收手機APP發(fā)送的控制指令，如遠程開啟/關(guān)閉除濕、調(diào)整燈光模式、設(shè)置定時任務(wù)等。

• 進行固件升級。

2.5.2 Wi-Fi模塊（可選，用于遠程控制）

元器件選型： ESP8266 ESP-01S模塊 或 ESP32系列模塊

選擇理由：

• 遠程控制： Wi-Fi模塊能夠連接家庭路由器，實現(xiàn)智能衣柜的遠程控制和數(shù)據(jù)云端存儲，無論用戶身處何地，只要有網(wǎng)絡(luò)即可管理衣柜。

• 功能強大： ESP8266/ESP32系列模塊本身就是微控制器，具備強大的處理能力和豐富的外設(shè)，可以獨立承擔(dān)一部分任務(wù)。

• 開發(fā)生態(tài)完善： 樂鑫公司為ESP系列提供了豐富的SDK和開發(fā)工具，支持Arduino IDE開發(fā)，降低了開發(fā)門檻。

元器件功能：

• 網(wǎng)絡(luò)連接： 連接家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。

• 遠程控制： 接收手機APP或智能音箱（通過云端）發(fā)送的遠程控制指令。

• 數(shù)據(jù)上傳： 將衣柜環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云平臺，供用戶遠程查看和分析。

• 消息推送： 在衣柜出現(xiàn)異常（如濕度過高、門未關(guān)好）時，通過云平臺向用戶手機推送消息。

2.6 電源管理模塊

電源管理模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。

元器件選型： 5V/12V開關(guān)電源適配器，AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓器，繼電器模塊（用于控制大功率負(fù)載）

選擇理由：

• 開關(guān)電源適配器： 將市電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5V和12V直流電源。開關(guān)電源效率高，體積小，適用于嵌入式系統(tǒng)。

• AMS1117-3.3V： 將5V電源轉(zhuǎn)換為單片機及部分傳感器所需的3.3V穩(wěn)定電壓。線性穩(wěn)壓器輸出紋波小，電路簡單，適合對電源穩(wěn)定性要求較高的數(shù)字電路。

• 繼電器模塊： 用于控制除濕模塊（風(fēng)扇、制冷片）、UV燈和臭氧發(fā)生器等大功率執(zhí)行器的電源通斷，隔離控制電路與高壓電路，確保系統(tǒng)安全。

元器件功能：

• 電源轉(zhuǎn)換與穩(wěn)定： 為STM32單片機、傳感器、顯示屏等提供3.3V電源；為風(fēng)扇、繼電器等提供5V電源；為半導(dǎo)體制冷片和部分大功率執(zhí)行器提供12V電源。

• 過流保護： 集成保險絲或過流保護電路，防止電路短路或過載。

• 電源開關(guān)控制： 通過繼電器實現(xiàn)對高功率模塊的電源通斷控制，提高系統(tǒng)安全性。

2.7 其他輔助模塊

2.7.1 門磁傳感器

元器件選型： 干簧管式門磁傳感器

選擇理由：

• 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高： 由磁鐵和干簧管組成，當(dāng)衣柜門關(guān)閉時，磁鐵靠近干簧管，使其閉合；門打開時，磁鐵遠離，干簧管斷開。

• 成本低廉： 廣泛應(yīng)用于安防系統(tǒng)，價格非常經(jīng)濟。

元器件功能：

• 門開/關(guān)狀態(tài)檢測： 檢測衣柜門的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，用于觸發(fā)智能燈光、安全保護（如有人開門時禁止開啟UV燈）以及提醒功能（如門未關(guān)好報警）。

2.8 總體硬件連接框圖

（此處應(yīng)包含一個詳細的硬件連接框圖，用箭頭指示數(shù)據(jù)流和電源流。由于是純文本輸出，無法直接繪制，但設(shè)計時需要清晰繪制。）

簡要描述：STM32F103C8T6作為核心，通過GPIO口連接按鍵、蜂鳴器、門磁傳感器和PIR傳感器。通過I2C接口連接OLED顯示屏和BH1750光照傳感器。通過ADC口連接MQ-135 VOC傳感器。通過USART接口連接HC-05藍牙模塊。通過PWM控制離心風(fēng)扇和WS2812B燈帶。通過GPIO控制MOSFET驅(qū)動繼電器，進而控制半導(dǎo)體制冷片、UV燈和臭氧發(fā)生器的電源。DHT11溫濕度傳感器采用單總線協(xié)議連接至GPIO口。整個系統(tǒng)由5V/12V電源適配器供電，并通過穩(wěn)壓芯片提供3.3V電壓給單片機及相關(guān)模塊。

3. 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用分層模塊化設(shè)計，包括底層驅(qū)動層、硬件抽象層（HAL）、功能模塊層和應(yīng)用層。

• 底層驅(qū)動層： 負(fù)責(zé)直接與硬件交互，包括GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、TIM等外設(shè)的初始化和寄存器操作。

• 硬件抽象層（HAL）： 對底層驅(qū)動進行封裝，提供統(tǒng)一、簡潔的API接口，屏蔽底層硬件差異，提高代碼的可移植性。STM32CubeMX生成的HAL庫即屬于此層。

• 功能模塊層： 基于HAL層接口，實現(xiàn)各個獨立的功能模塊，如傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、除濕控制模塊、燈光控制模塊、通信模塊等。每個模塊內(nèi)部包含其特定的邏輯和算法。

• 應(yīng)用層： 實現(xiàn)系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯，協(xié)調(diào)各個功能模塊，處理用戶指令，調(diào)度任務(wù)，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進行智能決策和控制。

3.2 核心功能模塊

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

• 溫濕度采集： 定時讀取DHT11傳感器數(shù)據(jù)，進行合法性校驗和數(shù)據(jù)濾波，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

• VOC濃度采集： 定時讀取MQ-135模擬量，通過ADC轉(zhuǎn)換后，結(jié)合預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)曲線（或簡單線性映射）轉(zhuǎn)換為相對濃度值，用于判斷異味程度。

• 光照強度采集： 定時讀取BH1750光照強度數(shù)據(jù)，用于智能燈光控制。

• 門磁狀態(tài)檢測： 實時監(jiān)測門磁傳感器的GPIO狀態(tài)，判斷衣柜門的開啟或關(guān)閉。

• PIR人體感應(yīng)： 監(jiān)測PIR傳感器輸出，判斷是否有人靠近衣柜。

• 數(shù)據(jù)濾波與校準(zhǔn)： 對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行均值濾波或卡爾曼濾波，消除噪聲干擾。對傳感器進行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，提高測量精度。

3.2.2 智能除濕控制模塊

• 模式設(shè)定： 支持自動模式和手動模式。

• 自動模式： 根據(jù)設(shè)定的濕度閾值（如60%RH），當(dāng)衣柜內(nèi)濕度超過閾值時，自動啟動除濕模塊。當(dāng)濕度降至安全范圍（如50%RH）或達到預(yù)設(shè)的除濕時間后停止。考慮溫度因素，避免過度除濕導(dǎo)致衣物過于干燥。

• 手動模式： 用戶通過按鍵或手機APP手動控制除濕模塊的開啟和關(guān)閉，并可設(shè)置運行時間。

• 風(fēng)扇與制冷片控制： 通過PWM控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)；通過繼電器控制半導(dǎo)體制冷片的供電，實現(xiàn)啟停。

• 排水提醒： 檢測集水盒水位（可通過浮球開關(guān)或超聲波傳感器實現(xiàn)，此處未列入元器件選型但可擴展），當(dāng)水位過高時，發(fā)出聲光報警并暫停除濕，提醒用戶排水。

• 安全保護： 當(dāng)制冷片散熱端溫度過高時（由溫度開關(guān)檢測或NTC熱敏電阻檢測），自動關(guān)閉除濕模塊，防止過熱損壞。

3.2.3 智能燈光控制模塊

• 門控?zé)艄猓?/strong> 當(dāng)門磁傳感器檢測到衣柜門打開時，自動開啟衣柜燈，門關(guān)閉后延時關(guān)閉。

• 感應(yīng)燈光： 當(dāng)PIR人體感應(yīng)模塊檢測到有人靠近衣柜時，自動開啟燈光，人離開后延時關(guān)閉。

• 亮度調(diào)節(jié)： 結(jié)合BH1750光照傳感器數(shù)據(jù)，在環(huán)境光線較暗時，自動提高衣柜燈亮度；環(huán)境光線充足時，適當(dāng)降低亮度，節(jié)能環(huán)保。

• 場景模式： 提供多種預(yù)設(shè)燈光模式，如柔和模式、明亮模式、彩虹模式等，用戶可根據(jù)喜好切換。

• 手動控制： 用戶可通過按鍵或手機APP手動開關(guān)燈、調(diào)節(jié)亮度。

3.2.4 防霉防蛀與除味模塊

• UV燈控制：

• 安全機制： 嚴(yán)格限制UV燈的開啟條件，必須在衣柜門關(guān)閉且無人在場（由門磁和PIR傳感器共同判斷）時才能開啟。

• 定時工作： 用戶可設(shè)置定時任務(wù)，例如每天工作15-30分鐘，定期對衣柜內(nèi)部進行殺菌消毒。

• 語音或蜂鳴器提示： UV燈工作時，發(fā)出警示音或通過OLED顯示屏提示。

• 臭氧發(fā)生器控制：

• 安全機制： 與UV燈類似，同樣需要在安全條件下開啟。

• 定時工作或VOC聯(lián)動： 可設(shè)置為定時工作，或當(dāng)VOC濃度超過閾值時，自動開啟一段時間的臭氧發(fā)生器進行除味。

• 濃度控制： 嚴(yán)格控制臭氧發(fā)生器的工作時間，確保臭氧濃度在安全范圍內(nèi)，避免對衣物和人體造成損害。

3.2.5 人機交互與顯示模塊

• OLED顯示： 實時更新并顯示溫濕度、VOC濃度、系統(tǒng)工作模式、時間等信息。通過按鍵切換顯示界面和操作菜單。

• 按鍵處理： 實現(xiàn)按鍵的掃描、消抖、長按短按識別，并根據(jù)按鍵事件執(zhí)行相應(yīng)的功能。

• 蜂鳴器提示： 在特定事件（如開門、故障、除濕完成）發(fā)生時，通過蜂鳴器發(fā)出提示音。

• 語音控制（可選）： 解析語音識別模塊的輸出指令，執(zhí)行相應(yīng)操作。

3.2.6 通信模塊（藍牙/Wi-Fi）

• 藍牙通信協(xié)議： 建立自定義的藍牙通信協(xié)議，定義數(shù)據(jù)包格式，包括數(shù)據(jù)幀頭、指令類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校驗碼等，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

• 手機APP交互：

• 數(shù)據(jù)上傳： 定時將衣柜環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至手機APP，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

• 指令下發(fā)： 接收APP發(fā)送的控制指令，并解析執(zhí)行。

• 固件升級： 支持通過藍牙進行OTA（Over-The-Air）固件升級。

• Wi-Fi云平臺通信（可選）：

• MQTT/HTTP協(xié)議： 選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議（如MQTT）與云平臺進行數(shù)據(jù)交互。

• 數(shù)據(jù)上傳與存儲： 將衣柜數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和歷史曲線查詢。

• 遠程控制： 通過云平臺實現(xiàn)遠程對衣柜的控制。

• 告警推送： 當(dāng)衣柜環(huán)境異常時，通過云平臺向手機APP推送告警信息。

3.3 軟件流程

系統(tǒng)上電后，首先進行STM32單片機和各外設(shè)的初始化。然后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷執(zhí)行以下任務(wù)：

1. 數(shù)據(jù)采集： 周期性地讀取DHT11、MQ-135、BH1750、門磁、PIR等傳感器的數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)處理： 對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波、轉(zhuǎn)換和判斷，更新衣柜環(huán)境狀態(tài)。

3. 模式判斷與決策：

• 根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)判斷是否需要啟動或停止除濕功能。

• 根據(jù)VOC濃度判斷是否需要啟動除味功能。

• 根據(jù)門磁和PIR數(shù)據(jù)判斷是否需要開啟或關(guān)閉燈光、UV燈、臭氧發(fā)生器。

• 根據(jù)光照強度調(diào)整燈光亮度。

4. 執(zhí)行器控制： 根據(jù)決策結(jié)果，通過GPIO、PWM、繼電器等控制風(fēng)扇、制冷片、UV燈、臭氧發(fā)生器、LED燈帶等執(zhí)行器。

5. 人機交互： 更新OLED顯示屏內(nèi)容；響應(yīng)按鍵操作；在必要時通過蜂鳴器或語音模塊進行提示。

6. 通信處理： 處理來自藍牙或Wi-Fi模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，與手機APP或云平臺進行交互。

7. 低功耗管理（可選）： 在無操作或特定條件下，使系統(tǒng)進入低功耗模式，節(jié)約能源。

3.4 關(guān)鍵算法與策略

• PID控制算法（可選，用于精確溫濕度控制）： 如果對溫濕度控制精度要求更高，可以使用PID算法對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和制冷片功率進行閉環(huán)控制，使衣柜內(nèi)溫濕度更穩(wěn)定地維持在設(shè)定目標(biāo)值。

• 數(shù)據(jù)平滑與異常檢測： 對傳感器數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波，減少隨機誤差。設(shè)置數(shù)據(jù)閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超出合理范圍時，進行異常報警或忽略異常數(shù)據(jù)。

• 定時任務(wù)調(diào)度： 使用單片機定時器實現(xiàn)各種定時任務(wù)，如除濕定時、殺菌定時、數(shù)據(jù)上傳定時等。

• 狀態(tài)機設(shè)計： 對于復(fù)雜的工作模式切換（如除濕模式、殺菌模式），采用狀態(tài)機設(shè)計，使邏輯清晰，易于維護。

• 通信協(xié)議設(shè)計： 設(shè)計健壯的通信協(xié)議，包括幀頭、數(shù)據(jù)長度、指令類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗和，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性。

4. 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 智能溫濕度調(diào)節(jié)與除濕

• 實時監(jiān)測： 通過DHT11實時監(jiān)測衣柜內(nèi)部溫濕度。

• 自動除濕： 當(dāng)濕度超過設(shè)定閾值（例如65%RH）時，系統(tǒng)自動啟動除濕模塊（風(fēng)扇和半導(dǎo)體制冷片）。風(fēng)扇加速空氣流通，制冷片冷凝水汽。

• 濕度控制： 當(dāng)濕度降至預(yù)設(shè)安全值（例如55%RH）時，自動關(guān)閉除濕模塊。

• 過熱保護： 當(dāng)制冷片散熱端溫度過高時，溫度開關(guān)觸發(fā)，切斷制冷片電源，保護設(shè)備。

• 排水提醒： 當(dāng)集水盒水位達到上限時，通過蜂鳴器和OLED顯示屏提醒用戶排水。

4.2 智能防霉防蛀與除異味

• UV殺菌防霉： 當(dāng)衣柜門關(guān)閉且無人靠近時，系統(tǒng)可在設(shè)定的時間（如每日定時15分鐘）自動開啟UV-C燈進行殺菌，有效抑制霉菌和細菌生長，防止衣物發(fā)霉。

• 臭氧除異味： 可定時開啟低濃度臭氧發(fā)生器，利用臭氧的強氧化性分解衣柜內(nèi)的異味分子，同時對螨蟲和霉菌有輔助殺滅作用。也可根據(jù)VOC濃度判斷是否啟動。

• 安全聯(lián)鎖： UV燈和臭氧發(fā)生器工作時，若衣柜門被打開或檢測到有人靠近，立即停止工作，確保用戶安全。

4.3 智能燈光系統(tǒng)

• 開門即亮： 當(dāng)門磁傳感器檢測到衣柜門打開時，LED燈帶自動亮起，方便用戶取放衣物。門關(guān)閉后延時熄滅。

• 人體感應(yīng)亮燈： 當(dāng)PIR傳感器檢測到有人靠近衣柜時，燈光自動亮起，提供便捷照明。

• 環(huán)境光感應(yīng)： 光照傳感器實時檢測環(huán)境光線強度，自動調(diào)節(jié)LED燈帶的亮度，實現(xiàn)節(jié)能與舒適性兼顧。

• 氛圍燈效： 用戶可通過按鍵或手機APP選擇不同的燈光模式和顏色，營造個性化的衣柜氛圍。

4.4 語音/APP遠程控制與信息顯示

• 本地語音控制（可選）： 用戶可以通過語音指令（如“你好衣柜，開燈”、“開始除濕”）控制衣柜各項功能，無需手動操作，提升便捷性。

• OLED實時顯示： OLED屏幕實時顯示衣柜內(nèi)部溫濕度、VOC濃度、當(dāng)前工作模式、系統(tǒng)狀態(tài)、時間等關(guān)鍵信息。

• 手機APP遠程管理：

• 實時查看： 用戶可在手機APP上遠程查看衣柜內(nèi)部的溫濕度、VOC濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

• 遠程控制： 遠程開啟/關(guān)閉除濕、殺菌、除味、燈光等功能，并設(shè)置工作模式和參數(shù)。

• 歷史數(shù)據(jù)： 查看溫濕度、VOC濃度的歷史曲線，了解衣柜環(huán)境變化趨勢。

• 報警推送： 當(dāng)衣柜出現(xiàn)異常（如長時間高濕度、門未關(guān)好等）時，APP會及時推送報警信息。

• 固件升級： 支持通過APP進行遠程固件升級。

4.5 異常報警與提醒

• 門未關(guān)好報警： 當(dāng)衣柜門長時間未關(guān)閉時，通過蜂鳴器、OLED顯示屏或APP推送提醒用戶。

• 集水盒滿水報警： 除濕集水盒滿水時，發(fā)出聲光報警并暫停除濕。

• 傳感器故障報警： 當(dāng)傳感器讀數(shù)異常時，通過顯示屏或APP提示故障信息。

• 定時任務(wù)提醒： 除濕、殺菌等定時任務(wù)完成時，通過蜂鳴器或APP通知用戶。

5. 結(jié)論

本基于STM32單片機的智能衣柜系統(tǒng)設(shè)計方案，充分利用了STM32系列微控制器高性能、豐富外設(shè)和低功耗的優(yōu)勢，結(jié)合多種先進傳感器和執(zhí)行器，構(gòu)建了一個功能全面、性能穩(wěn)定、用戶體驗優(yōu)異的智能衣柜系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)衣柜衣物受潮、發(fā)霉、異味等痛點，更通過智能化的管理手段，提升了用戶的生活品質(zhì)。

本方案詳細闡述了主控芯片、各類傳感器、執(zhí)行器、人機交互及通信模塊的選型理由和功能，為實際開發(fā)提供了全面的參考。通過軟硬件的協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化，該智能衣柜系統(tǒng)有望成為未來智能家居領(lǐng)域的重要組成部分，為用戶帶來更加便捷、健康、智能的衣物管理體驗。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進，未來還可進一步集成AI圖像識別（用于衣物識別與管理）、智能分類推薦、智能熨燙等功能，使智能衣柜更加個性化和自動化。