基于物联网的智能家用风扇控制系统设计
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作者:陈述涵
摘 要：电风扇是夏季家庭必备的降温消暑电器，针对目前电风扇工作模式单一，操作不方便等不足，基于物联网技术设计一种智能风扇控制系统，该系统以嵌入式控制器STM32F103C8T6为核心，设计人体位置感知模块、温度感知模块和WIFI通信模块，实现风向自动跟踪，风速自适应调整，且可以通过用户界面友好的手机APP操作电风扇的运行。
关键词：电风扇 智能家居 嵌入式系统 WIFI 手机APP
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章編号：1674-098X（2019）10（a）-0145-02
目前，国内市场上虽然出现了一些机械定时风扇，能够控制风扇在工作一定时间后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。其次，传统风扇不能根据外界温度的变化对风扇转速快慢进行调整，也不能对风扇的开关与否进行自动控制[1]，针对这些痛点，最近几年也出现了一些遥控功能的电风扇，方便了用户的操作，但这些电风扇普遍存在工作模式单一，操作不方便等缺点，满足不了人们对操作方便性和感觉舒适性的要求，本设计实现风向自动跟踪，风速自适应调整，且可以通过用户界面友好的手机APP操作电风扇的运行，大大提高了使用的便利性和舒适性。
1 系统整体设计
本设计按照物联网分层结构来看，包含三层，如图1所示，最底层是感知与执行层，实现人体位置感知、温度的测量以及风速和风向电机的控制;中间层是网络通信层，本系统采用WIFI通信，实现控制系统和手机的数据传输;最上层为应用层，主要是具有用户界面友好的手机APP。
感知与执行以及网络通信的硬件系统实现是以嵌入式控制器STM32F103为核心，设计人体位置感应模块、温度感知模块和WIFI通信模块等，如图2所示。
2 系统硬件设计
系统硬件包括中央处理器、人体位置感知模块、温度感知模块、WIFI通信模块、电机控制模块、操作面板以及智能手机等七个部分。其中智能手机无需设计硬件，安装风扇控制APP（FAN-APP）即可，下面重点设计其他的六个部分。
2.1 中央处理器
本系统采用STM32F103C8T6嵌入式控制器为中央处理器。 STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，工作电压2V～3.6V，是一款优秀分高性能低成本的家庭嵌入式微控制器，主频速度为72MHz，外围设备包括DMA，电机控制PWM，温度传感器，输入/输出数：37，程序存储器容量：64KB FLASH[2]。
该控制器具有大容量的存储器和电机控制PWM，非常适合本系统要求，减少了外围电路的设计，降低了成本。
2.2 人体位置感应模块
为了实现风向能够自动跟踪人体功能，设计了热释电传感器，应用热释电效应，当传感器检测范围内温度有ΔT 的变化时，因热释电效应会在2 个电极上产生电荷ΔQ，即在2 个电极间产生微弱的ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ 会随空气中的离子结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出[3]。
根据人体自身红外辐射的特性，本系统通过红外热释电传感器实现人体的实时追踪，根据跟踪信号控制电机，从而间接控制风扇的风速、转向、高度，实现风扇的智能调节。
2.3 温度感知传输模块
在系统温度控制系统的设计中，温度传感器使用DS18B20传感器，能够实现-55℃～+125℃的测温范围，并且固有测温分辨率0.5℃，在实际运行中不需要再次添加其他外围原件。其内部结果包括温度传感器、64位光刻ROM、配置寄存器、非挥发的温度报警触发器TH和TL。DS18B20传感器采用独特的寄生电源供电方式，具有无需本地电源、无常规电源读取ROM、电路简洁、一根I/O口实现测温等优点[4]。
DS18B20 传感器采用I2C通信，DQ、GND和VDD三个引脚与处理器的GPIO、地和电源相连接即可。
2.4 WIFI通信模块
目前无线通信技术种类繁多，有蓝牙，红外，RFID，ZIGBEE，NFC，WIFI等技术。其中WIFI技术作为目前最常用的一种标准短距离无线通信协议，其传输速率高于蓝牙和ZigBee技术，传输距离相对较远，可达一百米，组网简单，只需在适当的位置放置一个热点，因此，WIFI成了我们生活中不可或缺的无线通信技术，并且智能手机一般标配WIFI通信模块。
本系统采用ESP8266WIFI模块，它是一个集成度很高的芯片，里面包括天线开关，电源转换器等。需要的外围电路非常少，还是独立的WIFI网络实现方案，具有很强的片上存储以及运行处理能力，完全可以通过GPIO 口实现与处理器相连接。
2.5 电机控制模块和操作面板
本系统采用STM32F103C8T6嵌入式控制器为中央处理器自带，电机控制PWM，控制系统中不需要增加风向和风速电机控制模块，操作面板使用处理器的GPIO实现。
3 系统软件设计
软件设计包含两个部分，一是控制系统软件设计，二是手机APP设计。
3.1 控制系统软件设计
控制系统软件主要实现根据人体位置感知模块输出的信号，自动控制风扇方向电机去调整风扇的方向对准人体位置;根据温度感知模块输出的温度值去控制风速电机，自适应的调整送风量，提高人体的舒适度;通过WIFI模块实现与手机APP的通信;还需实现响应操作面板和手机APP的命令实现预定模式的选择、工作方式的选择以及定时等操作。
3.2 手机APP设计
手机APP主要实现与控制系统的通信连接和数据传输;显示温度和时间信息;风扇工作模式的设定等。
4 结语
本设计基于物联网技术较好解决了传统电风扇的不足，实现了风扇风向的自动人体跟踪，风速的自适应调节，大大提高了风扇使用的舒适度，还实现了利用手机APP对风扇的操作，提高了风扇使用的便利性，本设计具有较好的实用价值。
参考文献
[1] 马巧梅.一个智能风扇控制系统的设计[J].信息技术，2018，42（8）：55-58，65.
[2] https：//baike.baidu.com/item/STM32F103C8T6.
[3] 田嘉晨，周厚满，林创挺.利用人体自身红外辐射的智能风扇[J].科技与创新，2018（7）：55-56.
[4] 胡玉轩.基于STC单片机的智能电子温度控制系统设计研究[J].山西电子术，2017（4）：87-89.
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