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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）摘 要： 針對傳統鞋櫃功能單一、鞋子容易發霉腐爛等問題，設計了一種基於物聯網的智能鞋櫃系統。在鞋櫃中加入殺菌除臭、祛濕防霉功能，使用STM32單片機並嵌入智能控制演算法實現系統的智能控制。採用分區處理方法對鞋櫃結構進行改造，在鞋櫃內安裝祛濕裝置，並利用安裝有感測器和具有殺菌除臭、祛濕防霉功能模塊的鞋撐，對鞋櫃潮濕空氣和鞋子內部臭味進行處理。利用物聯網技術，結合雲伺服器與客戶端，實現鞋櫃信息實時查看、遠程智能控制等功能。實驗表明，系統能夠有效去除鞋內臭味，防止鞋子發霉，保持鞋櫃內空氣清新。關鍵詞： 智能鞋櫃；物聯網；STM32；雲伺服器；客戶端中圖分類號： TN876文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.021中文引用格式： 王佳權，王皓，陳少勇，等. 基於物聯網的智能鞋櫃系統設計[J].電子技術應用，2017，43(3)：84-87，91.英文引用格式： Wang Jiaquan，Wang Hao，Chen Shaoyong，et al. The design of intelligent shoe system based on Internet of Things[J].Application of Electronic Technique，2017，43(3)：84-87，91.0 引言目前國內大部分智能鞋櫃利用光觸媒、PTC等方法[1]，通過手動設定工作時間，在設定的工作時間內利用光觸媒和熱風循環對鞋櫃進行除臭、祛濕。這種方法效果一般，不能去除存在於鞋子內部的有害細菌，而且採用手動、定時控制方式，系統獨立運行，與PC或手機客戶端無數據交互，無法遠程控制和查看鞋櫃狀態信息，不是真正的智能控制。隨著科技的快速發展，家居生活也逐漸向智能化發展。本文結合現代電子技術、物聯網技術[2，3]和「雲+端」智能家居模式[4]對傳統鞋櫃進行結構改造和功能升級，鞋櫃在儲存鞋子的同時具備殺菌除臭、祛濕防霉、遠程監控等功能，並利用智能控制演算法，實現鞋櫃系統自動控制。1 系統總體設計1.1 功能設計基於物聯網的智能鞋櫃系統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、狀態顯示等。系統由三大部分構成：鞋櫃控制端、雲伺服器和客戶端。系統網路拓撲如圖1所示。雲伺服器實現鞋櫃控制端與客戶端的數據交換。客戶端用於遠程監控鞋櫃運行狀態，並完成鞋櫃控制端的入網配置。鞋櫃控制端由無線路由器接入到家庭網路，通過接收客戶端的網路請求，解析出控制命令，響應遠程控制。鞋櫃控制端通過感測器探測鞋櫃及鞋內空氣質量，智能地執行祛濕防霉、殺菌除臭程序。鞋櫃控制端總體設計框圖如圖2所示。1.2 鞋櫃結構設計鞋櫃整體結構如圖3所示。採用分區處理技術，在鞋櫃內部單獨開闢一塊區域，安裝定製的鞋撐（內部安裝有感測器、殺菌除臭、祛濕防霉模塊），在處理器的控制下對鞋子內部進行有效的殺菌除臭、祛濕防霉。同時，利用安裝於鞋櫃內的溫濕度感測器智能檢測鞋櫃內溫濕度，根據檢測結果控制鞋櫃內的祛濕防霉模塊，使鞋櫃內空氣質量保持最佳狀態。2 系統硬體設計2.1 前端數據採集前端採集的數據包括鞋撐及鞋櫃內的溫濕度信息、空氣質量信息和感應開關輸出的高低電平量。前端數據採集電路如圖4所示。2.1.1 溫濕度感測器根據GB/T 18883-2002《室內空氣質量標準》，室內空氣溫濕度標準為：夏季溫度22 ℃~28 ℃，濕度40%~80%；冬季溫度16 ℃~24 ℃，濕度30%~60%。選用溫濕度測量範圍較寬的DHT22集成溫濕度感測器，以適應不同地域環境條件下的測量需求。2.1.2 氣敏感測器鞋內惡臭氣體種類較多，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，由於細菌、蛋白腐爛導致氨、硫化氫、甲醛、苯等氣體較多。基於此，選用對VOC(揮發性有機物，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轉換電路轉換為數字量后給處理器。處理器使用基於Cortex-M3內核的STM32F100R8單片機，內部包含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輸出模擬信號的採樣與轉換，還可以直接利用處理器內部的RTC為系統提供實時時間信息。2.3 驅動模塊驅動模塊用於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]。由於鞋內空間狹小，選用能夠產生微量臭氧的小型紫外燈泡，在發出紫外線的同時產生微量的臭氧，殺菌除臭同時進行。2.5 祛濕防霉模塊適宜的黴菌生長環境是導致鞋子發霉的一個主要因素[8]，當環境溫度為25 ℃~35 ℃，相對濕度高於60%(特別是在90%~100%的條件下)時最適宜黴菌生長。通過在鞋櫃中加裝通風和加熱裝置，將相對濕度控制在60%以下，能有效抑制黴菌生長。系統在鞋櫃和鞋撐中安裝發熱膜和風扇，通過處理器的智能檢測和控制演算法，控制發熱膜和風扇的工作，實現祛濕防霉功能。2.6 WiFi模塊WiFi模塊用戶實現智能鞋櫃系統與雲伺服器和客戶端的數據交互。鑒於系統傳輸的數據量較小，選用組網方式和網路拓撲靈活的ESP8266。ESP8266支持softAP模式、station模式、softAP+station共存模式。同時，ESP8266支持AT指令集和數據透明傳輸，外接微處理器可以通過串口向ESP8266發送AT指令，實現系統快速聯網與數據傳輸。系統通過ESP8266數據交互的框圖如圖6所示。3 系統軟體設計3.1 控制系統主流程設計系統上電后，開始初始化、自檢、感測器校正和網路連接，之後進入自動控制，運行流程如圖7所示。3.2 智能檢測與控制演算法控制程序定期採集鞋櫃和放置在鞋撐上的鞋子內的溫濕度和空氣質量信息，採樣間隔時間為2 s。當連續採集5組數據后，對已採集的5組數據做平均演算法處理，處理器根據處理結果，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ID唯一性設計系統ID唯一性保證控制系統的安全性。在接收到遠程控制命令后先校驗接收數據報頭與系統ID是否一致，防止誤操作。系統ID來源於每個STM32晶元全球唯一96位ID，系統對這96位ID進行ASCII碼轉換，生成唯一的24位用戶名和24位密碼，並將信息上傳到雲伺服器完成系統註冊登記。3.4 雲伺服器設計雲伺服器是鞋櫃系統與客戶端之間數據交互的橋樑，實現用戶註冊與遠程登錄訪問功能。伺服器運行狀態直接影響到整個智能鞋櫃系統的安全性與可靠性。客戶端與伺服器建立連接后，客戶端向伺服器發送數據信息，伺服器接收信息后，根據請求類型，核對用戶名和密碼正確後作出相應的響應。伺服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、控制鞋櫃運行狀態。在外網狀態下，客戶端數據來源於雲伺服器。家庭區域網狀態下，客戶端與鞋櫃控制系統可通過WiFi模塊直接進行數據交互。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櫃系統進行綁定，並通過客戶端將家庭無線路由器的接入信息發送給鞋櫃系統，綁定完成後，鞋櫃系統自動連接網路。客戶端運行流程如圖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模塊的網路配置，使系統接入家庭無線網路。本系統使用的是SmartConfig技術，具體配置流程如圖11所示。4 效果測試與分析4.1 鞋櫃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櫃的祛濕功能，第二組和第三組對比測試在不同濕度環境條件下鞋櫃祛濕的速度，測試結果如圖12所示。可以發現，系統除濕效果顯著。智能鞋櫃系統在處理器控制下自動工作，當檢測到濕度超過60%RH時，系統自動開啟祛濕模塊，保持鞋櫃內溫濕度正常，防止鞋子發霉。當環境濕度較高時，從第二組和第三組數據可以看出，在較潮濕環境下，鞋櫃系統除濕時間相比乾燥環境下時有所增加。4.2 鞋櫃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，另一隻鞋放入帶有殺菌除臭模塊的鞋撐。放好鞋后，系統自動開始工作，測試結果如圖13所示。開始一分鐘內，由於鞋內污染濃度較高，感測器檢測結果迅速上升，不帶除臭功能模塊的鞋內污染氣體濃度在之後一段時間始終保持在較高污染濃度範圍；帶除臭功能模塊的鞋內污染氣體濃度則上升到最高值后，呈現明顯的下降趨勢，在10分鐘之後，鞋內污染氣體濃度達到系統設定的正常範圍。5 結論本文提出了一種基於物聯網的智能鞋櫃系統，系統具有殺菌除臭、祛濕防霉、語音提示、時間顯示等功能，並能通過客戶端實現遠程信息查看與控制。可通過增加客戶端界面介面，實現智能鞋櫃系統與其他智能家居系統的聯接。實際測試結果表明，系統祛濕、除臭效果明顯，操作簡單，各模塊均使用直流供電，功耗低，運行安全穩定。參考文獻[1] 歐陽亞秋，唐宗渤，劉洪林.一種新型智能電子消毒鞋櫃的設計與實現[J].微型機與應用，2012，31(7)：96-98.[2] 房夏.物聯網的現狀及其發展因素分析[J].電子技術應用，2010，38(6)：6-7.[3] 李志宇.物聯網技術研究進展[J].計算機測量與控制，2012，20(6)：1445-1448.[4] 朱敏玲，李寧.智能家居發展現狀及未來淺析[J].電視技術，2015，39(4)：82-85.[5] 陳罘杲，劉澤順，高明.鞋內惡臭氣體理論及控制凈化技術研究[J].西部皮革，2007，29(9)：47-50.[6] 楊茜.紫外線殺菌燈的技術及應用[J].常規醫療裝備，2005，30(2)：7-10.[7] 彭頤，洪燕峰.臭氧氧化技術除臭效果的研究[J].華西醫學，2009(4)：907-909.[8] 苗宇，何興旺.針對鞋企及鞋類產品防霉措施的探討和研究[J].西部皮革，2014(15)：46-48.