基于STM32的窗帘机器人

郑翔，杜福鹏

摘要:为提高现代化家庭生活的方便性、舒适性、智能性，本文着力设计一款通过STM32控制的窗帘机器人，该机器人使用挂钩挂在窗帘杆上，利用直流电机带动滚筒转动，滚筒转动使之与窗帘杆之间产生摩擦力，从而带动窗帘运动。该设备有着体积小，耗能低，安装方便等特点。

关键词：STM32、窗帘机器人、智慧家居

中图分类号：TP242 文献标识码：A

随着家庭生活的现代化，家居智能成为消费者新的选择，本文针对智能家庭的窗帘控制设计了一款窗帘机器人，该机器人能够根据室内环境状态自动控制窗帘开合，具有一定自我反应、调节能力。

1、机器人总体设计

本项目设计的窗帘机器人以STM32+ESP8266作为主板，可通过光传感器采集室外光照强度，经过STM32主控计算，发送相应指令到达驱动模块实现窗帘机器人的自动控制。也可通过蓝牙遥控器直接控制，蓝牙遥控器向蓝牙模块发送相应指令，经STM32主控计算将相应数据传输至驱动模块。同时，为了增强窗帘机器人的通用性，可直接接入小米生态，天猫精灵等平台，通过手机APP进行控制，具有一定的兼容性。

图1 窗帘机器人系统总体框架图

2. 电气部分设计

窗帘机器人选择了STM32F103作为处理器，STM32F103将光传感器、编码器数据进行采集，通过控制算法的计算，使窗帘机器人向对应的位置进行运动。网络通信模块选择ESP8266，ESP8266将手机端发送的数据进行接收，通过串口与STM32F103进行数据交互与处理，将相应数据发送至驱动模块，控制窗帘机器人运动。

2.1主控电路设计

STM32F103属于32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，芯片集成定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种外设功能。最高工作频率为72MHZ，有着64K字节的SRAM，3个16位定时器，2个12位模数转换器，有着丰富的I/O接口及UART接口，工作电压范围为2.0-3.6V，具有功耗低，运行快，性价比高等诸多特点。STM32F103仅需很少的外围电路，就可达到对窗帘机器人的控制。原理图如下所示：

图2 窗帘机器人主控电路

2.2网络通信设计

ESP8266模块具有低功耗，工作温度范围大，PCB封装小等特点，内部集成了32 位Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需很少的外围电路，就可使窗帘机器人正常工作，原理图如下所示：

图3 窗帘机器人通信原理图

2.3传感器检测设计

为了实现光照强度自动反馈控制，在电路中加装了光照传感器，光照传感器采用高精度的BH1750FVI，是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。进入光窗的光强度越大，光电流就越大，相应的电压就越大，通过电压的大小就可以判断光照强度大小。原理图如下所示：

图4 窗帘机器人传感器检测原理图

2.4驱动电路设计

窗帘机器人采用9V直流电机和L298N电机驱动模块进行运动控制，电机控制通过PWM（脉宽调制）改变输出脉冲的占空比来进行电机驱动模块输出电压的调节。原理图如下所示：

图5 窗帘机器人驱动电路原理图

2.5电源管理设计

窗帘机器人电源管理系统由18650锂电池、电源升压模块及太阳能板三部分组成。

18650锂电池有着容量大、寿命长、安全性能高、电压高、内阻小、适用范围广等优点，选择该型号锂电池可以为窗帘机器人的工作提供足够的能源和更高的安全性。

通过加装升压模块来满足驱动模块、主控模块的电压需求，升压模块可将18650锂电池提供的3.6V-4.2V电源变为3.3V、5V、9V三种不同的电压，同时配备的通用Type-C快充充电接口可直接DC5V输入给锂电池充电，实现对锂电池、主控电路、驱动电路的短路、过压、欠压等保护。

太阳能板利用光电效应，可将太阳辐射直接转换成电能，将太阳能板贴合在窗帘机器人上，可直接给窗帘机器人进行充电，在日常使用中减少了取装次数，省电节能，延长了机器人的使用寿命。原理图如下所示：

图6 窗帘机器人电源管理原理图

3、机械结构设计

3.1驱动机构设计

驱动机构由电机仓和滚筒两部分组成，将直流电机安装在电机仓内，滚筒套在电机仓外并与电机轴装配在一起，构成完整的驱动系统。

为了使滚筒与窗帘杆之间产生足够的摩擦力，在滚筒外围加装了橡胶圈。

3.2安装机构设计

窗帘机器人采用挂钩的方式，挂在窗帘杆上。为了适应各种不同的窗帘杆，在挂钩下端加装了弹簧，可使机器人滚筒恰好贴合在窗帘杆上，保证窗帘机器人可在窗帘杆上运动。

图7 窗帘机器人实物

2. 结束语

本设计以STM32为主控将通信技术、传感器技术等技术结合实现了窗帘机器人的功能实现。窗帘机器人可以实现手机控制、蓝牙控制、自动控制三种控制方式，以更好的适应人们的需求。通过不断的测试，该机器人适用于智慧化家居生活，有着轻量化、易操作的显著优点。

参考文献：

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基金项目：

2019年兰州石化职业技术学院创新创业种子项目（2019-1-10）

2018年度教育科学“十三五”规划高校与职业院校一般课题（GS[2018]GHBGZ050）

2019年省级大学生创新创业训练计划项目（2019-310）

2019年省级大学生创新创业训练计划项目（2019-355）

作者简介：

郑翔（2001—），男，甘肃平凉人，大专，研究方向：工业机器人技术。

通信作者：

杜福鹏（1995—），男，青海海东人，助教，研究方向：嵌入式技术应用。