1绪论1.1研究背景及意义
现今人们的工作越来越忙碌，时间观念备受人们关注，各种日程安排越来越多，一些生活琐事不应该再过多的占据人们的时间和精力。由此智能家居迅速进入人们的生活，它无疑为人们的起居带来了诸多方便。在这个智能化的时代，我选择了基于物联网的智能晾衣架研发。
大多数情况下，人们喜欢把洗好的衣服挂在阳光明媚的天气下晾晒干，可是当我们出去的时候，天气突然下雨，本来将要晒干的衣服又被雨水淋湿，这让人感到十分恼火。随着智能化科技的发展进步,我希望有一个“活”的晾衣杆，当天气变暗或者下雨时，它能自动将衣服收起来。
1.2国内外研究现状
大约十年前晾衣架首次作为晾晒衣服的工具出现在人们的生活中，刚出来时只有手摇晾衣架，慢慢的手摇晾衣架被远距离遥控晾衣架代替。这种远距离遥控晾衣架刚出来时，大多数是使用不锈钢做成的且晾衣架的款式比较单一。随着晾衣架在家居方面所占的经济比例越来越高，各大厂商开始各处奇谋，争相在晾衣架上创新，晾衣架的款式变得越来越多，外观也变得越来越漂亮。如今，晾衣架以不单单作为晾晒衣物的工具了，它渐渐变成了装饰阳台的一道风景线。
由于城市化经济的快速发展，人们在住房方面的需求也越来越多，有房就会有阳台，自动升降晾衣架则是装饰阳台的一道美丽的风景线。而且由据权威媒体调查统计：“自动升降晾衣架是现代家庭必需品，有房就有晾衣架，需求量越来越大，自动升降晾衣架将是家装建材行业的最后一块经济蛋糕”。
由此雅美娜公司最先致力于智能晾衣架方面的研发，作为智能晾衣架研发方面的领头羊，该公司近两年陆续推出几款智能晾衣架，填补其在智能家居方面的不足。不同于传统的手工晾衣架，智能晾衣架在外观方面具有独特的金属质感，给用户在视觉和触觉上不同以往的高贵体验，满足了用户追求时尚的浪潮。智能化的晾衣架不仅仅能满足用户的需求，也是智能家居行业的一大亮点。
在国内，智能家居产品方面已经取得一定成果。但总体而言，晾衣架的研发却不很理想，尤其是在行业中没有统一的标准和权威性的产品，这阻碍了智能家居的发展。智能晾衣架是智能家居的一个产品，也是组成智能化生活的重要部分。估算每套智能晾衣架的成本价格不是很高，但随着智能晾衣架的大规模的生产与投入使用，以及各种元件的降价，智能晾衣架的经济效益将不断的上升。尽管传统的手摇晾衣架还在被在大规模使用，但是手摇晾衣架存在款式单一、结构简单、操作麻烦、使用寿命短、易老化等一系列缺点，不能满足用户的增益需求。由此智能晾衣架的出现很好的满足了用户的需求，它不仅具有操作简单、使用方便、外观独特等优点，还能根据环境因素的不同来自动控制衣物的晾晒，使得忙碌的上班族的家居生活更加舒适安心，也满足家居老人和孩子“即触即用、方便省心、安全舒适”的后顾之忧。
1.3主要研究内容
本文以STC89C52单片机作为智能晾衣架的主控芯片，其硬件部分由单片机最小电路模块、限位开关电路模块、蓝牙无线传输模块、光敏感知模块、雨滴采集模块以及步进电机模块组成；软件部分由程序主函数、初始化程序、工作状态子函数以及蓝牙连接程序组成。智能晾衣架能够监测环境中光线的强弱以及湿度的变化，从而控制步进电机的正转与反转功能，实现晾衣架升起与下降的转换，本文的主要功能包括：
（1）天气湿度监测，天气下雨时自动收起晾衣架；
（2）光线强度监测，天色变暗时自动收起晾衣架；
（3）通过手机终端控制晾衣架的升起与下落。
1.4本文的组织结构
本文一共由六个章节组成，分别描述了智能晾衣架的研究背景及意义、总体设计、硬件设计、软件设计、系统测试，在本文的最后一章对全文进行了总结与展望。本文具体的组织结构如下：
第一章绪论：阐述了智能晾衣架的研究背景及意义、国内外研究现状、主要研究内容以及本文的组织结构。
第二章总体设计，介绍了本文中主要使用的技术、系统设计方案、系统架构设计、系统功能设计以及运行环境。
第三章硬件设计，对系统中各个部分的硬件进行了详细介绍。
第四章软件设计，阐述了软件开发环境、App开发环境、设计的功能模块流程图以及部分核心代码。
第五章系统测试：阐述系统的实现、硬件测试、软件测试以及测试小结。
第六章总结与展望：对基于物联网的智能晾衣架的设计进行了总结并提出改进方案。
2总体设计
2.1技术简介
2.1.1蓝牙无线传输技术
蓝牙（ Bluetooth ）：是最近几年出现的一种无线传输方式，它能使个人移动设备在局域网之间进行短距离数据传输。蓝牙无线传输技术是基于设备低成本的收发器芯片，主要特征表现为传输距离近、消耗功率低，并且以光学无线信号为传播路径，传播的射程范围大小由功率大小和类别的不同而有所区别，在本文中主要用蓝牙模块实现数据之间的传输。
2.1.2物联网技术
物联网从表面意思理解为物体与物体之间通过互联网相连的技术，物联网技术由六个部分组成，分别是网络节点、网关、接入网络、传输网络、数据服务中心、信息客户中心。物联网技术就是在约定好使用的协议后，利用各感知设备把我们感兴趣的内容获得，并通过网络将信息输出，并进行相应的处理。物联网技术可以实时数据的采集、实时数据的传输、实时数据的处理、实时数据的控制 以及实时信息服务。物联网技术的组成如图2-1所示：
图2-1物联网信息组成图
2.2设计方案
本文的系统设计方案主要由三个部分组成，分别是应用服务层、网络传输层、感知控制层。其中应用服务层，包括手机及手机端的应用软件；网络传输层由蓝牙模块与各硬件之间的通信组成，这部分是整个设计方案控制区域的核心；感知控制层包括对天气环境湿度监控，光照强度监控。网络传输层和感知控制层通过设计蓝牙模块与采集模块之间的电路实现，应用服务层使用Android设计的软件控制各个模块的运转。感知层的设计中运用到了光敏传感器和雨滴传感器，使得晾衣架能够在晴朗的天气中自动将晾衣架升起，使衣服能够自然晾干，而在阴天或雨天能够将晾衣架自动收回。本系统的设计思路如下：
（1）为了方便用户使用晾衣架，不能在墙上设计开关，因此需要设计一个遥控设备实现对晾衣架的远程操控；
（2）为了满足用户对智能化生活的需求，晾衣架要设计成根据天气因素来控制其升起与收回的功能；
2.3系统架构设计
基于物联网技术的智能晾衣架的架构设计由感知监测设备、网络传输模块和手机端APP三部分组成。
感知监测设备主要由光敏传感器、雨滴传感器组成。感知模块利用各种传感器采集数据，将数据通过网络传输协议发送到主控芯片上，蓝牙模块利用蓝牙串口将数据处理更新到应用层服务端上，从而实现对数据的实时监控。用户操作应用服务层软件就可以很方便的控制晾衣架，系统架构图如2-2所示：
图2-2 系统架构图
2.4系统功能设计
基于物联网技术的智能晾衣架可以分为四个功能模块，分别是感知模块、用户控制模块、自动控制模块以及限位开关模块。本文的系统功能图如2-3所示：
图2-3系统功能图
2.4.1感知模块
基于物联网的智能晾衣架的感知模块是用于监测环境因素变化的，通过监测到的数据控制晾衣架的升起与收缩；当监测到环境中光线变暗不足已达到晾晒衣服时，步进电机反转控制衣架收缩下降；当检测到天气下雨时，监测到的数据发送给主控芯片，主控芯片控制步进电机进行晾衣架下降操作。
2.4.2用户控制模块
用户根据当前环境以及自身的使用情况，使用手机软件控制智能晾衣架的升起与下降以及步进电机停止运转操作。
2.4.3自动控制模块
应用服务层接收到感知层发送的数据并对数据进行分析处理，当环境因素不满足晒衣服的条件时，自动控制步进电机的正转与反转方向，从而实现晾衣架的升降控制。
2.4.4 限位开关模块
限位开关模块主要是为了当晾衣架升起并达到最大高度时，触碰此模块可以实现步进电机的自动停止转动功能。
2.5运行环境
2.5.1系统开发环境
本文的开发环境是基于Window 7操作系统，开发时所用到的开发工具主要包括Eclipse、Android IDE 、Keil C51 单片机编程软件、AD绘图软件、proteus仿真软件，使用JAVAEE、Android编程技术进行软件开发，开发环境如表2-1：
表2-1开发环境表
分类
名称
版本
语种
编程系统
Window7系统
2013 Microsoft
中文
编译器
Java Development kit
Jdk1.7.0
英文
设计开发工具
Eclipse
10
英文
Android
Eclipse
Android 1.0.5
英文
单片机编程工具
Keil C51
V8.16
英文
2.5.2系统运行环境
设计主要采用Eclipse编写Android程序为应用端界面，网络传输数据采用蓝牙无线传输技术，根据感知层传输的检测数据对晾衣架的步进电机进行正转与反转操作,系统实现的运行环境如表2-2：
表2-2系统运行环境表
名称
配置
操作系统
Window系列
Android系统
可以使用的Android的手机
无线传输模块
蓝牙模块
数据感知模块
传感器模块
3硬件设计3.1硬件总体设计
硬件的设计部分必须充分把握每个芯片的传输特性以及引脚排布特点，在电路的设计时需要针对不同的芯片进行特殊的设计。本文采用STC89C52单片机做中央处理器，利用其自带的8位双向I/O口与蓝牙串口模块进行数据交互，并通过控制引脚的高低电平控制步进电机的正转与反转状态，其硬件整体设计图如下图3-1所示。
图3-1硬件总体设计
智能晾衣架设计主要由主控芯片、蓝牙模块、雨滴模块、光敏感知模块、电源模块、步进电机以及限位开关组成硬件系统，STC89C52主控芯片为整个硬件系统供电。
3.2单片机选取
本文中使用STC89C52作为中央处理器，它是一种8k闪存可擦除只读存储的芯片，其特点为低功耗、高性能、价格低廉、功能强大。整个系统以STC89C52单片机为主控核心的硬件控制原理图如3-2所示：
图3-2单片机总控制原理图
STC89C52有P0、P1、P2、P3四个数据输出口，其中P1、P2为8位双向I/O口，可以满足正常的数据计算和交互需求。P0为8位漏极电路，在本文中为了稳定整体的电路供电设计，将P0口与上拉电阻相连。同时将P3口与蓝牙模块连接实现数据的处理，将P2作为数据输出连接步进电机实现对电机的控制，实物图如3-3所示:
图3-3 STC89C52实物图
3.3光敏电阻传感器模块
光敏传感器负责监测晾衣架周围的光照强度变化，将检测数据以数字形式发送到串口监视器，然后由主控芯片来控制步进电机的正转与反转功能。其光敏传感器原理图3-4所示:
图3-4 光敏传感器原理图
光敏电阻传感器通过数字量与模拟量之间的数模转换，控制输出口的高低电平变化来感应环境中的光线强弱变化，当天气中光线强时，控制输出口输出高电平；光线变暗时，控制输出口输出低电平，此模块的实物图如3-5所示：
图3-5光敏电阻传感器实物图
3.4蓝牙模块
本文中使用蓝牙传输模块将感知层采集的数据发送到主控芯片，主控芯片执行对采集数据的处理，并将处理的数据通过蓝牙短距离传输到应用层软件。蓝牙模块内部结构的原理图如3-6所示：
图3-6蓝牙模块原理图
此模块用于接收和发送数据的引脚分别是RXD和TXD，其数据的交互也是由这两个引脚决定，其还拥有无线射频的触发方案，当STC89C52单片机的P3.0和P3.1口与其TXD和RXD相连时，其接收的手机APP控制指令即可通过TXD接口发送给单片机，以此来实现对的步进电机控制，其实物图如3-7所示：
图3-7蓝牙模块实物图
3.5雨滴模块
雨滴模块用于对天气是否下雨进行监测，并将监测的数据转换成数字信号和AO输出。给硬件系统供电，电源指示灯亮，雨滴感应板上没监测到水滴时，输出为低电平，显示指示灯灭；给雨滴感应板滴上水滴时，控制输出口输出高电平，显示指示灯亮；经过一段时间后，将雨滴感应板上的水滴擦拭干净，控制输出口恢复到输出低电平状态，显示指示灯又一次熄灭。利用雨滴输出口输出高低电平变化可以控制步进电机的工作状态，雨滴模块的实物图如3-8所示：
图3-8雨滴传感器实物图
3.6步进电机模块
本文中的步进电机模块，主要用于实现对智能晾衣架的升起与下落控制，主控芯片接收到用户发送的指令时，将相应的指令转化成单片机输出的高低电平，从而控制步进电机的正转与反转状态，该模块的实物图如3-9所示：
图3-9步进电机实物图
4软件设计4.1软件开发环境
4.1.1单片机开发环境
随着单片机技术的快速发展，机器的编译语言与环境也逐渐向人性化发展，从最初的汇编语言开始转向较为高级的C语言来开发，Keil是目前最适合也是最流行开发8052内核单片机的开发软件，各大单片机制造商也开始向Keil方向靠拢。该软件是美国的Keil Softwaere公司研发的一项软件开发系统，其最大的突破是允许用户自定义最舒服的编译方式来进行编译，其允许用户使用汇编或C语言进行编译，MCS-51单片机全系列都可以用Keil进行编译，下面是Keil的使用优势。
1.Keil 针对8052内核的单片机进行了优化，附带了很多常用的函数和编译快捷键，功能十分强大。
2.Keil提供了良好的编译环境以及强大的仿真调试系统。
3.外观采用Windows界面使用简洁方便，并可以支持用户自定义界面，深受人们的喜爱。
其编程界面如下4-1所示：
图4-1 Keil编辑界面
4.2.2 App开发环境
APP的开发采用JDK10.0版本为JAVA编写的运行环境，利用Eclipse开发环境对代码进行编译开发。Eclispe是一款高效的、跨平台的集成开发工具，相对于以前的开发工具，Eclipse将人性化的窗口设计融入到软件中，方便快捷的工具栏和导入导数工具使其成为现如今最热门的编译工具，其编译界面如下4-2所示：
图4-2 Eclipse编辑界面
4.2软件整体功能流程
根据对系统的需求分析的总结，对基于物联网的智能晾衣架的设计分为用户操作模块、自动模块两大部分。其中自动控制模块包含的部分主要有步进电机运转模块、光敏电阻采集模块以及雨滴传感模块。本系统的总体功能流程图如图4-3所示：
图4-3 系统流程图
本文中STC89C52单片机控制步进电机的工作状态（正转、反转）、雨滴传感器监测环境中是否下雨、光敏传感器监测环境中光线的强弱变化以及触碰限位开光停止工作的部分核心代码如下：
void main(){
init(); //执行初始化函数
while(1){
motor_ffz();
if(Key_Value==1){
motor_ffw(); //执行步进电机正转功能
}
if(Key_Value==2){
motor_ffz();//执行步进电机反转功能
}
if(Key_Value==3){
P2=0xff; //电机停止运转
}
if(Key_Value==4){
guangkong(); //执行光敏控制函数
}
if(xianwei1==0||xianwei2==0){ //判断是否触碰限位开关
Key_Value=3;
}
硬件通电时，此代码执行初始化操作，步进电机正常转动，用判断语句来是实现在不同环境中是否监测到下雨、光线强弱变化、是否触碰限位开关等情况，来执行当前情况下的程序。
4.3用户模块
用户模块是用户根据环境因素的变化情况及自身使用情况来手动改变步进电机正转、反转的工作状态，用户使用手机App人为的控制智能晾衣架的升起与下落以及停止运转等操作，该功能模块的流程图如下4-4所示：
图4-4 用户模块流程图
本文中使用switch语句编写实现用户根据不同环境因素控制步进电机的工作状态以及用户停止步进电机工作的部分核心代码如下：
void time() interrupt {
if(RI){
RI=0;
switch(SBUF){ //使用switch语句判断用户对功能按钮的控制
case 'a':Key_Value=1;break;
case 'b':Key_Value=2;break;
case 'c':Key_Value=3;break;
case 'd':Key_Value=4;break;
case 'e':guangbiaozhiwei=1; P2=0xff; break; //回到最初工作状态
}
4.4自动模块
用户开启自动模式时，该模块根据天气环境的变化情况控制步进电机的正、反转操作，当天色变暗时或者下雨时，主控芯片通过雨滴传感器、光敏传感器采集的数据判断是否满足对衣物的晾晒情况，由此来控制晾衣架的升起与下降操作，该模块流程图如4-5所示：
图4-5自动模块
4.4.1雨滴控制模块
雨滴控制模块的功能是采集晾衣架周围是否有下雨的信息，如果没有下雨，雨滴控制模块就输出高电平，下雨了就输出低电平，当天气突然下雨的时候，主控芯片就会控制步进电机反转。实现功能的代码如下：
if(tpList != null && tpList.size() != 0){ //判断数据是否写入成功
for(Object obj : tpList){ //遍历获得的数据
TempCount temp =new TempCount();
temp.setRainDrop(Integer.parseInt(arrObj[0].toString()));//设置环境是否下雨信息
temp.setCount(Integer.parseInt(arrObj[1].toString()));//设置雨滴量的数据
}
public static byte[] stringAsHex(String str){//将数据转化成称16进制格式
int n=0;String ss=str;
while(ss.contains(" ")){
ss=ss.substring(ss.indexOf(" ")+1);n++
byte[] txData = new byte[(str.length()-n)/2];//将获得的数据进一步处理
str+=(sbyte&0xff)<16?"0"+Integer.toHexString(sbyte&0xff).toUpperCase()+insterStr:Integer.toHexString(sbyte&0xff).toUpperCase() + insterStr;
4.4.2光敏传感模块
手机终端App通过光敏传感器感知到外界天气环境中光线强度是否变暗（不足以满足晾晒衣服的情况），输出高低电平控制步进电机的运转，其高低电平由主控芯片处理后，执行该功能模块的代码如下：
try{
JSONArray jsonArray = JSONArray.fromObject(tlist);//将数据存储起来
HttpServletResponse response = ServletActionContent.getResponse();//将数据发送
try{
response.setContentType("application/json;charset-UTF-8");//设置数据格式
response.getWriter().print(jsonArray.toString());//获取相关数据
此程序模拟天色光线变化时，将数据通过 Json格式以及Http请求编写到主程序中，当满足天色变暗达不到晾晒衣服时，执行程序控制步进电机反转，将晾衣架下落。
4.4.3步进电机控制模块
当天气晴朗或者不能满足晾晒衣服时，用户使用手机终端可以控制步进电机正、反转以及停止运转功能，实现对智能晾衣架的远程控制，其实现此模块功能的部分程序代码如下：
If(digitalRead(13) == DROP_HAVE){//将光照数据与写入数据对比判断
Counterlockwise; //步进电机工作程序
}else{
If(lux > LUX_LIME){
If(DHT11.temperature >= TEMP_LIMIT){//湿度达到预定值，电机反转工作
Counterlockwise
}else{
Clockwise；
}else{
Counterclockwise;
}
4.5蓝牙连接模块
手机终端与蓝牙模块进行通信时，首先要建立蓝牙设备的线程，连接蓝牙设备的线程类构造函数，并生成一个BluetoothSocket接口，并且成功到连接手机终端时，部分核心代码如下：
private class ConnectThread extends Thread {//连接蓝牙设备的线程
private final BluetoothSocket mmSocket; //定义socket蓝牙接口
private final BluetoothDevice mmDevice; //定义蓝牙服务变量
public ConnectThread(BluetoothDevice device) {//连接蓝牙设备的线程类的构造函数
mmSocket.connect();//BluetoothSocket连接
当手机终端与蓝牙模块连接发生异常时，BluetoothSocket接口关闭，并执行蓝牙连接失败的处理函数，此时用户需要断开与蓝牙的连接，重新建立手机终端与蓝牙设备之间的通信，部分核心代码如下：
try {
mmSocket.close();//如果发生异常(连接失败)则将BluetoothSocket关闭
} catch (IOException error) {//捕获异常，并打印错误信息
Log.e(TAG, "unable to close() " + " socket during connection failure", error);
}
connectionFailed();//蓝牙连接失败处理
5系统测试5.1系统功能实现
根据设计的总体架构，进行了详细的系统设计，本文中的整体环境已经搭建成功，实现了大部分预期目标。硬件设备通过蓝牙进行数据传输，手机软件采用Android语言开发，整个系统的实物硬件如图5-1所示：
图5-1 硬件实物图
经过对手机APP程序的多方面调试，整合代码编译并最终在手机上运行，基本功能已经得到实现。整个界面简洁、操作简单、用户上手即用，其软件界面图如5-2所示：
图5-2软件界面图
5.2测试环境
运行装有windows 系统的电脑，要求最低配置操作系统32位，CPU内存2GB，打开keil软件能成功将程序烧录到单片机中，打开Eclipse软件运行编写好的代码，并将代码安装到装有Android系统的手机上。
5.3硬件测试
硬件测试主要测试步进电机在不同环境中的工作状态是否正常，将整个硬件实物放置在泡沫板上，使用USB数据线给硬件电路上电，检测硬件电路各个模块的电路连接是否正常，按下电源的复位开关，测试步进电机的工作状态，通电后步进电机正转、反转功能；测试光感敏传感器检测光线强度有明显变化时，步进电机的工作状态是否有改变；测试雨滴传感器检测有雨滴落下时，步进电机的工作状态是否有改变，测试结果如下表5-1所示：
表5-1硬件测试表
编号
Test1
测试目的
测试硬件设备能否正常工作
测试步骤
给硬件设备供电，测试不同天气环境中电机的工作状态
预期结果
步进电机工作正常
测试结果
步进电机工作正常
5.4软件测试
软件测试主要测试硬件设备在手机终端的控制下，各个模块的工作是否正常。打开蓝牙，搜索并匹配连接硬件设备，连接成功后，打开手机操作界面，点击软件界面中的正转按钮，步进电机正常工作；点击软件界面中的反转按钮，步进电机正常工作；点击软件界面中的停止按钮，步进电机正常工作；点击软件界面中的自动模式按钮，步进电机根据环境因素的不同，实现不同状态的转动，测试结果如下表5-2所示：
表5-2软件测试表
编号
Test2
测试目的
测试手机App功能模块是否正常工作
测试步骤
打开界面操作不同功能按钮，查看电机的工作状态
预期结果
按钮功能正常
测试结果
按键功能正常
5.5测试小结
通过对软件系统和硬件系统的多次、多方面的测试可以得出结论，智能晾衣架的功能基本达到预期目标，不会发生晾衣机不工作的情况，且在不同外界环境中，步进电机符合不同环境下的工作情况（电机正转与反转控制晾衣架的升起与下落）。
6总结与展望
本文运用物联网技术的感知控制层、网络传输层、应用服务层为框架，总结设计出智能晾衣架系统。感知控制层通过了解雨滴传感器、光敏电阻传感器的基本原理以及各个引脚的电路原理搭建一套完整的感知层服务；网络传输层通过了解蓝牙模块通信协议和工作原理实现数据的交互；应用服务层通过学习Android编程语言、java编程语言设计一款简单实用的操作软件。最后，对整个系统设计进行到了测试和研究性工作总结。
智能晾衣架系统主要分为系统终端设计和硬件实现两部分。系统终端设计是使用Android语言编写的简易操作界面，用户点击界面中的功能按钮可以实现对晾衣架工作状态的控制，信息传输以蓝牙设备为硬件基础，使用java语言编写相应的通信接口，实现感知控住层与中央处理器的数据交互；硬件实现以STC89C52单片机作为整个系统的控制核心，设计出雨滴、光敏传感模块的电路原理图，实现输出高低电平控制步进电机的工作状态，设计简易限位开关模块用于停止步进电机的运转工作。
本文中智能晾衣架设计也有需要改进的地方，很多的设计理念是在一定理想状态下进行的。比如，该设计中的步进电机不能长时间在高温环境下运转，其自身产生的热量会对步进电机有一定的损耗；该智能晾衣架是一种简单实用的类型，在某些方面不能满足用户的需求；在软件设计方面，由于开发经验不足，模块化编程思想运用不够熟练，导致页面布局不够美观，人性化设计不很是完美。如果能解决这些不足之处，我相信此智能晾衣架一定会在智能控制方面达到更加完美的效果。
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