文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.021
中文引用格式： 王佳權，王皓，陳少勇，等. 基于物聯網的智能鞋柜系統設計[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利用光觸媒和熱風循環對鞋柜進行除臭、祛濕。這種方法效果一般，不能去除存在于鞋子內部的有害細菌，而且采用手動、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柜狀態信息，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“云+端”智能家居模式[4]對傳統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、遠程監控等功能，并利用智能控制算法，實現鞋柜系統自動控制。
1 系統總體設計
1.1 功能設計
基于物聯網的智能鞋柜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：鞋柜控制端、云服務器和客戶端。系統網絡拓撲如圖1所示。云服務器實現鞋柜控制端與客戶端的數據交換。客戶端用于遠程監控鞋柜運行狀態，并完成鞋柜控制端的入網配置。鞋柜控制端由無線路由器接入到家庭網絡，通過接收客戶端的網絡請求，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空氣質量，智能地執行祛濕防霉、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。采用分區處理技術，在鞋柜內部單獨開辟一塊區域，安裝定制的鞋撐（內部安裝有傳感器、殺菌除臭、祛濕防霉模塊），在處理器的控制下對鞋子內部進行有效的殺菌除臭、祛濕防霉。同時，利用安裝于鞋柜內的溫濕度傳感器智能檢測鞋柜內溫濕度，根據檢測結果控制鞋柜內的祛濕防霉模塊，使鞋柜內空氣質量保持最佳狀態。
2 系統硬件設計
2.1 前端數據采集
前端采集的數據包括鞋撐及鞋柜內的溫濕度信息、空氣質量信息和感應開關輸出的高低電平量。前端數據采集電路如圖4所示。
2.1.1 溫濕度傳感器
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%。選用溫濕度測量范圍較寬的DHT22集成溫濕度傳感器，以適應不同地域環境條件下的測量需求。
2.1.2 氣敏傳感器
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，由于細菌、蛋白腐爛導致氨、硫化氫、甲醛、苯等氣體較多。基于此，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。處理器使用基于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輸出模擬信號的采樣與轉換，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
適宜的霉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。系統在鞋柜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柜系統與云服務器和客戶端的數據交互。鑒于系統傳輸的數據量較小，選用組網方式和網絡拓撲靈活的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 系統軟件設計
3.1 控制系統主流程設計
系統上電后，開始初始化、自檢、傳感器校正和網絡連接，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的溫濕度和空氣質量信息，采樣間隔時間為2 s。當連續采集5組數據后，對已采集的5組數據做平均算法處理，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來源于每個STM32芯片全球唯一96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，并將信息上傳到云服務器完成系統注冊登記。
3.4 云服務器設計
云服務器是鞋柜系統與客戶端之間數據交互的橋梁，實現用戶注冊與遠程登錄訪問功能。服務器運行狀態直接影響到整個智能鞋柜系統的安全性與可靠性。客戶端與服務器建立連接后，客戶端向服務器發送數據信息，服務器接收信息后，根據請求類型，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。在外網狀態下，客戶端數據來源于云服務器。家庭局域網狀態下，客戶端與鞋柜控制系統可通過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柜系統進行綁定，并通過客戶端將家庭無線路由器的接入信息發送給鞋柜系統，綁定完成后，鞋柜系統自動連接網絡。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模塊的網絡配置，使系統接入家庭無線網絡。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境條件下鞋柜祛濕的速度，測試結果如圖12所示。
可以發現，系統除濕效果顯著。智能鞋柜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，保持鞋柜內溫濕度正常，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，鞋柜系統除濕時間相比干燥環境下時有所增加。
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，系統自動開始工作，測試結果如圖13所示。
開始一分鐘內，由于鞋內污染濃度較高，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分鐘之后，鞋內污染氣體濃度達到系統設定的正常范圍。
5 結論
本文提出了一種基于物聯網的智能鞋柜系統，系統具有殺菌除臭、祛濕防霉、語音提示、時間顯示等功能，并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接口，實現智能鞋柜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
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[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.
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）