基于STM32的智能鞋柜设计

摘要

随着人们生活水平的不断提高，对个人卫生和健康的要求也日益增强。鞋柜作为家庭日常生活中不可或缺的家具，其功能已从简单的储物空间逐渐向智能化、健康化方向发展。传统的鞋柜仅提供基本的收纳功能，无法有效解决鞋类存储过程中常见的潮湿、异味、细菌滋生等问题，严重影响了用户的健康和使用体验。针对这一问题，本文设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的智能鞋柜控制系统，通过集成多种传感器和智能控制模块，实现了对鞋柜内部环境的全方位监测与智能调控。该系统能够实时检测温湿度、粉尘浓度、空气质量、柜门状态和光照强度等关键参数，并根据预设阈值自动启动相应的功能模块，包括加热、除湿、通风、紫外线杀菌、照明等。同时，系统支持用户通过按键调节阈值，通过OLED显示屏直观显示当前环境参数，并通过蓝牙模块将数据实时传输至手机端，实现远程监控与控制。本设计不仅有效解决了传统鞋柜的局限性，还显著提升了鞋类存储的卫生条件和用户体验，为智能家居领域提供了新的解决方案。通过实际测试验证，该系统运行稳定、功能完善、操作便捷，具有较高的实用价值和推广前景。

关键词：STM32；智能鞋柜；传感器；环境监测；蓝牙通信

3 硬件设计
3.1 单片机电路设计
3.2 环境温湿度检测模块电路设计
3.3 PM2.5粉尘检测模块电路设计
3.4 空气质量检测模块电路设计
3.5 柜门状态检测模块电路设计
3.6 光照检测模块电路设计
3.7 显示电路设计
3.8 控制模块电路设计
3.8.1 加热模块电路
3.8.2 通风模块电路
3.8.3 紫外线消毒模块电路
3.8.4 照明模块电路
3.9 通信电路设计

4 软件设计
4.1 系统软件架构
4.2 主程序设计
4.3 传感器数据采集与处理
4.4 自动控制逻辑设计
4.5 人机交互设计
4.6 蓝牙通信协议设计

5 系统测试
5.1 温湿度检测模块测试
5.2 PM2.5粉尘检测模块测试
5.3 空气质量检测模块测试
5.4 柜门状态检测模块测试
5.5 光照检测模块测试
5.6 功能联动测试
5.7 用户体验测试

6 结论与展望

1 绪论

1.1 研究背景及意义

在现代社会，鞋类作为个人日常用品，与人体健康密切相关。鞋子在穿着过程中会吸收人体汗液和外界环境中的湿气，若长时间储存在封闭的鞋柜中，极易产生霉菌、细菌，导致鞋类发霉、产生异味，甚至可能引发足部疾病。传统鞋柜仅提供简单的收纳功能，缺乏对内部环境的监测与调控，无法有效解决鞋类存储过程中的卫生问题，已成为困扰现代家庭的普遍问题。

随着物联网技术和智能家居的快速发展，智能鞋柜作为智能家居系统的重要组成部分，逐渐受到关注。智能鞋柜通过集成环境监测传感器和智能控制模块，能够实时监测鞋柜内部环境参数，并根据预设阈值自动启动相应的功能，如除湿、通风、杀菌、照明等，从而为鞋类提供最佳的存储环境，有效预防霉变、异味和细菌滋生，提升用户的健康水平和生活品质。

本设计基于STM32F103C8T6单片机，构建了一套功能完善的智能鞋柜控制系统。该系统通过多传感器融合技术，实现了对鞋柜内部环境的全方位监测，能够根据实际环境条件自动启动相应的功能模块，有效解决了传统鞋柜的卫生问题。同时，系统支持用户通过按键调节阈值，通过OLED显示屏直观查看当前环境参数，并通过蓝牙模块将数据实时传输至手机端，实现远程监控与控制，大大提升了用户体验。

本研究的意义在于：首先，有效解决了鞋类存储过程中的卫生问题，提高了用户的健康水平；其次，通过智能化控制，减少了能源浪费，符合绿色发展的理念；再次，为智能家居领域提供了新的解决方案，推动了智能家居技术的普及应用；最后，该系统设计思路和实现方法可为其他家居智能设备的设计提供参考，具有较高的推广价值。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外在智能鞋柜领域的研究主要集中在以下几个方面：

国外研究现状：国外智能家居技术发展较早，智能鞋柜作为智能家居的一部分，已有一定的研究和应用。欧美国家的智能家居品牌如Nest、Philips Hue等已开始将环境监测和智能控制功能集成到鞋柜中。例如，美国某品牌智能鞋柜采用温湿度传感器和空气质量传感器，结合自动除湿和通风系统，实现了鞋柜内部环境的智能调控。但这些产品价格昂贵，功能单一，且缺乏针对中国家庭使用习惯的优化设计。

国内研究现状：国内智能家居产业近年来发展迅速，智能鞋柜也逐渐受到关注。国内一些智能家居企业如小米、海尔等已推出相关产品，但大多功能较为简单，主要集中在温湿度监测和基础除湿功能。例如，小米推出的智能鞋柜采用DHT11温湿度传感器，可实现基本的湿度监测和除湿功能，但缺乏对粉尘浓度、空气质量等参数的监测，以及紫外线杀菌等高级功能。此外，这些产品大多价格较高，且与手机APP的交互体验不够完善。

研究趋势：当前智能鞋柜研究的发展趋势是向多功能、高精度、智能化、易用性方向发展。未来智能鞋柜将更加注重多参数监测、智能联动控制、用户个性化设置以及与智能家居系统的无缝集成。同时，随着传感器技术的进步和成本的降低，智能鞋柜将逐渐从高端产品走向大众市场，成为家庭必备的智能家具。

现有研究的不足：目前市场上智能鞋柜产品普遍存在以下问题：功能单一，仅关注温湿度监测；传感器精度不足，无法准确反映鞋柜内部环境；控制逻辑简单，缺乏智能联动；用户交互体验不佳，操作复杂；价格昂贵，普及率低。这些问题限制了智能鞋柜的广泛应用。

针对上述问题，本设计提出了一套功能完善、性能稳定、价格适中的智能鞋柜控制系统，通过集成多种传感器和智能控制模块，实现了对鞋柜内部环境的全方位监测与智能调控，有效解决了现有产品的不足。

2 系统方案设计

2.1 系统整体设计

本智能鞋柜控制系统采用模块化设计思想，将系统功能划分为多个独立但又相互关联的模块，各模块协同工作，共同实现鞋柜内部环境的智能监测与调控。系统整体设计如图2-1所示。

图2-1 智能鞋柜系统框图

系统主要包括以下功能模块：

环境监测模块：通过DHT11温湿度传感器、PM2.5粉尘传感器、MQ-135空气质量传感器、光电红外传感器和光敏传感器，实时监测鞋柜内部的温度、湿度、粉尘浓度、空气质量、柜门状态和光照强度等参数。
数据处理与控制模块：以STM32F103C8T6单片机为核心，负责接收和处理传感器数据，根据预设阈值和控制逻辑，自动控制加热、除湿、通风、紫外线杀菌、照明等执行机构。
用户交互模块：包括OLED显示屏和按键，用于显示当前环境参数、设置阈值和控制功能。
远程通信模块：通过BT04A蓝牙模块，将环境参数实时传输至手机端，实现远程监控与控制。
执行机构模块：包括加热片、风扇模块、UV消毒灯、照明灯和有源蜂鸣器，根据控制指令执行相应操作。

系统工作流程如下：首先，各传感器实时采集鞋柜内部环境参数，数据传输至单片机进行处理；单片机根据预设阈值和当前环境参数，判断是否需要启动相应的执行机构；执行机构根据控制指令工作，改变鞋柜内部环境；同时，OLED显示屏显示当前环境参数和系统状态；用户可通过按键调节阈值；蓝牙模块将环境参数实时传输至手机端，用户可通过手机APP远程查看和控制。

2.2 方案选型

2.2.1 单片机选型

方案一：51单片机

51单片机作为一款经典的8位微控制器，在嵌入式开发领域应用广泛。其优点是架构简单、成本低、开发工具完备。但51单片机数据处理能力较弱、I/O端口数量有限，且缺乏先进的中断处理机制和复杂外设接口支持。在需要同时处理多传感器数据和实现蓝牙通信的系统中，51单片机的性能可能成为制约系统整体表现的关键因素。

方案二：STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等优点。其主频高达72MHz，内置64KB闪存和20KB SRAM，支持多种通信接口（如I2C、SPI、UART等），非常适合处理多传感器数据和实现蓝牙通信。此外，STM32F103C8T6具有丰富的开发资源和良好的社区支持，开发效率高。

选型结论：综合考虑系统需求，选择STM32F103C8T6作为系统主控芯片。

2.2.2 温湿度传感器选型

方案一：DHT22传感器

DHT22传感器具有高精度、宽测量范围的特点，温度测量范围为-40℃至80℃，误差±0.5℃；湿度测量范围为0%至100%RH，误差±2%RH。但DHT22价格较高，且数据处理复杂，对系统资源要求较高。

方案二：DHT11传感器

DHT11传感器价格低廉，工作电流小（约0.5mA），温度测量范围为0℃至50℃，误差±2℃；湿度测量范围为20%至90%RH，误差±5%RH。虽然精度不如DHT22，但已能满足鞋柜环境监测的需求，且成本低、易集成。

选型结论：考虑到鞋柜工作环境温度通常在0℃至50℃之间，DHT11的精度和范围已足够，且成本低、易于集成，因此选择DHT11作为温湿度传感器。

2.2.3 显示模块选型

方案一：LCD1602显示屏

LCD1602显示屏成本低、编程简单，但仅支持字符显示，信息呈现单一，且在强光或弱光环境下可视性差，不适合鞋柜内部环境的实时监测。

方案二：OLED显示屏

OLED显示屏采用自发光像素阵列技术，在强光和极暗环境下均能保持高对比度和色彩饱和度，信息呈现丰富，且支持I2C通信，仅需两个IO口即可连接，节省资源。

选型结论：OLED显示屏具有明显优势，选择OLED作为显示模块。

2.2.4 PM2.5传感器选型

方案一：激光PM2.5传感器

激光PM2.5传感器精度高，测量范围广，但价格昂贵，且功耗较大，不适合成本敏感型产品。

方案二：光学PM2.5传感器

光学PM2.5传感器价格适中，精度能满足鞋柜环境监测需求，功耗较低，易于集成。

选型结论：选择光学PM2.5传感器作为粉尘浓度检测模块。

2.2.5 空气质量传感器选型

方案一：MQ-135传感器

MQ-135传感器对多种气体敏感，包括CO2、NH3、苯等，测量范围广，价格低廉，易于集成。

方案二：高精度空气质量传感器

高精度空气质量传感器精度高，但价格昂贵，且测量参数单一，不适合本系统需求。

选型结论：MQ-135传感器价格适中，能满足鞋柜空气质量监测需求，选择MQ-135作为空气质量传感器。

2.2.6 柜门状态检测模块选型

方案一：光电红外传感器

光电红外传感器检测精度高，响应速度快，成本适中，适合柜门状态检测。

方案二：机械开关

机械开关成本低，但易磨损，且无法实现非接触式检测，可靠性较差。

选型结论：选择光电红外传感器作为柜门状态检测模块。

2.2.7 光敏传感器选型

方案一：BH1750光敏传感器

BH1750光敏传感器精度高，测量范围广，支持I2C通信，易于集成。

方案二：普通光敏电阻

普通光敏电阻成本低，但精度差，响应慢，不适合本系统需求。

选型结论：选择BH1750光敏传感器作为光照检测模块。

2.2.8 通信模块选型

方案一：HC-05蓝牙模块

HC-05蓝牙模块价格低廉，易于集成，但传输距离有限（约10米），且不支持Wi-Fi，无法实现远程监控。

方案二：BT04A蓝牙模块

BT04A蓝牙模块价格适中，传输距离可达10米，支持AT指令配置，易于与STM32单片机集成，能满足系统远程通信需求。

选型结论：选择BT04A蓝牙模块作为通信模块。

3 硬件设计

3.1 单片机电路设计

STM32F103C8T6微控制器是本系统的核心，其电路设计如图3-1所示。

图3-1 STM32F103C8T6电路设计

STM32F103C8T6微控制器采用LQFP48封装，具有72MHz主频、64KB闪存和20KB SRAM，支持多种通信接口。电路设计包括以下部分：

电源电路：采用3.3V稳压电源，通过LM1117-3.3稳压芯片实现，确保单片机工作电压稳定。
晶振电路：采用8MHz外部晶振，提供系统时钟，确保系统时序准确。
复位电路：通过RC电路实现上电复位，确保系统上电后能正常工作。
调试接口：预留SWD调试接口，便于系统开发和调试。

3.2 环境温湿度检测模块电路设计

DHT11温湿度传感器电路设计如图3-2所示。

图3-2 DHT11温湿度传感器电路设计

DHT11温湿度传感器通过单总线接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至3.3V电源
GND：接地
DATA：连接至STM32F103C8T6的PA8引脚

DHT11传感器工作原理：单片机通过PA8引脚发送启动信号，DHT11接收到信号后开始测量温湿度，测量完成后通过同一引脚返回数据。单片机根据脉冲宽度解析出温湿度数据。

3.3 PM2.5粉尘检测模块电路设计

PM2.5粉尘传感器电路设计如图3-3所示。

图3-3 PM2.5粉尘传感器电路设计

PM2.5粉尘传感器通过UART接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
TXD：连接至STM32F103C8T6的PA9引脚（USART1_TX）
RXD：连接至STM32F103C8T6的PA10引脚（USART1_RX）

PM2.5传感器工作原理：传感器通过UART接口发送粉尘浓度数据，单片机接收并解析数据，计算出PM2.5浓度值。

3.4 空气质量检测模块电路设计

MQ-135空气质量传感器电路设计如图3-4所示。

图3-4 MQ-135空气质量传感器电路设计

MQ-135空气质量传感器通过模拟信号接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
AO：连接至STM32F103C8T6的PA0引脚（ADC通道0）

MQ-135传感器工作原理：传感器根据空气质量变化输出模拟电压信号，单片机通过ADC转换将模拟信号转换为数字值，计算出空气质量指数。

3.5 柜门状态检测模块电路设计

光电红外传感器电路设计如图3-5所示。

图3-5 光电红外传感器电路设计

光电红外传感器通过数字信号接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至3.3V电源
GND：接地
OUT：连接至STM32F103C8T6的PB0引脚

光电红外传感器工作原理：传感器检测到柜门状态变化时，输出高低电平信号，单片机根据电平变化判断柜门状态。

3.6 光照检测模块电路设计

BH1750光敏传感器电路设计如图3-6所示。

图3-6 BH1750光敏传感器电路设计

BH1750光敏传感器通过I2C接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至3.3V电源
GND：接地
SCL：连接至STM32F103C8T6的PB10引脚
SDA：连接至STM32F103C8T6的PB11引脚

BH1750传感器工作原理：传感器通过I2C接口输出光照强度数据，单片机接收并解析数据，计算出光照值。

3.7 显示电路设计

OLED显示屏电路设计如图3-7所示。

图3-7 OLED显示屏电路设计

OLED显示屏通过I2C接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至3.3V电源
GND：接地
SCL：连接至STM32F103C8T6的PB10引脚
SDA：连接至STM32F103C8T6的PB11引脚

OLED显示屏工作原理：单片机通过I2C接口发送数据，OLED显示屏接收数据并显示环境参数。

3.8 控制模块电路设计

3.8.1 加热模块电路

加热模块电路设计如图3-8所示。

图3-8 加热模块电路设计

加热模块通过继电器控制，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
IN：连接至STM32F103C8T6的PB12引脚
加热片：连接至继电器输出端

加热模块工作原理：单片机通过PB12引脚控制继电器吸合，接通加热片电源，启动加热功能。

3.8.2 通风模块电路

通风模块电路设计如图3-9所示。

图3-9 通风模块电路设计

通风模块通过继电器控制，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
IN：连接至STM32F103C8T6的PB13引脚
风扇：连接至继电器输出端

通风模块工作原理：单片机通过PB13引脚控制继电器吸合，接通风扇电源，启动通风功能。

3.8.3 紫外线消毒模块电路

紫外线消毒模块电路设计如图3-10所示。

图3-10 紫外线消毒模块电路设计

紫外线消毒模块通过继电器控制，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
IN：连接至STM32F103C8T6的PB14引脚
UV消毒灯：连接至继电器输出端

紫外线消毒模块工作原理：单片机通过PB14引脚控制继电器吸合，接通UV消毒灯电源，启动消毒功能。

3.8.4 照明模块电路

照明模块电路设计如图3-11所示。

图3-11 照明模块电路设计

照明模块通过继电器控制，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
IN：连接至STM32F103C8T6的PB15引脚
照明灯：连接至继电器输出端

照明模块工作原理：单片机通过PB15引脚控制继电器吸合，接通照明灯电源，启动照明功能。

3.9 通信电路设计

BT04A蓝牙模块电路设计如图3-12所示。

图3-12 BT04A蓝牙模块电路设计

BT04A蓝牙模块通过UART接口与STM32F103C8T6连接，具体连接方式如下：

VCC：连接至5V电源
GND：接地
TXD：连接至STM32F103C8T6的PA10引脚（USART1_RX）
RXD：连接至STM32F103C8T6的PA9引脚（USART1_TX）

BT04A蓝牙模块工作原理：蓝牙模块通过UART接口与单片机通信，将环境参数数据发送至手机端，同时接收手机端的控制指令。

4 软件设计

4.1 系统软件架构

本系统软件采用模块化设计，分为以下主要模块：

系统初始化模块：完成单片机、外设和传感器的初始化配置。
传感器数据采集模块：负责读取各传感器的数据。
数据处理与分析模块：对采集的数据进行处理和分析，判断是否需要启动相应的功能。
自动控制模块：根据分析结果，控制执行机构工作。
用户交互模块：处理按键输入，更新OLED显示屏内容。
蓝牙通信模块：负责与手机端的数据交互。

系统软件架构如图4-1所示。

图4-1 系统软件架构

4.2 主程序设计

主程序是系统的核心，负责协调各模块工作，其流程如图4-2所示。

图4-2 主程序流程图

主程序工作流程如下：

系统初始化：配置单片机时钟、外设、传感器等。
进入主循环：不断读取传感器数据，进行数据处理和分析。
判断温湿度：如果温度低于设定阈值，启动加热；如果湿度高于设定阈值，启动通风。
判断PM2.5浓度：如果粉尘浓度超过设定阈值，启动通风。
判断空气质量：如果空气质量指数过高，启动UV消毒。
判断柜门状态：柜门关闭时，启动UV消毒；柜门打开时，关闭UV消毒。
判断光照：光照值低于阈值且柜门打开时，启动照明。
处理用户输入：根据按键输入，更新阈值或切换模式。
更新OLED显示屏：显示当前环境参数和系统状态。
通过蓝牙发送数据：将环境参数发送至手机端。

4.3 传感器数据采集与处理

4.3.1 温湿度数据采集与处理

DHT11传感器数据采集流程如图4-3所示。

图4-3 温湿度数据采集流程

数据处理流程：单片机读取DHT11返回的温湿度数据，进行校准和单位转换，得到实际温湿度值。

4.3.2 PM2.5粉尘浓度数据采集与处理

PM2.5传感器数据采集流程如图4-4所示。

图4-4 PM2.5数据采集流程

数据处理流程：单片机读取PM2.5传感器返回的粉尘浓度数据，进行单位转换，得到PM2.5浓度值。

4.3.3 空气质量数据采集与处理

MQ-135传感器数据采集流程如图4-5所示。

图4-5 空气质量数据采集流程

数据处理流程：单片机读取MQ-135传感器返回的模拟电压值，通过ADC转换得到数字值，计算出空气质量指数。

4.3.4 柜门状态数据采集与处理

光电红外传感器数据采集流程如图4-6所示。

图4-6 柜门状态数据采集流程

数据处理流程：单片机读取光电红外传感器返回的电平状态，判断柜门是否关闭。

4.3.5 光照数据采集与处理

BH1750光敏传感器数据采集流程如图4-7所示。

图4-7 光照数据采集流程

数据处理流程：单片机读取BH1750传感器返回的光照强度数据，进行单位转换，得到光照值。

4.4 自动控制逻辑设计

4.4.1 温湿度控制逻辑

温湿度控制逻辑如图4-8所示。

图4-8 温湿度控制逻辑

控制逻辑：

当温度 < 温度下限阈值：启动加热
当湿度 > 湿度上限阈值：启动通风
当温度 > 温度上限阈值：停止加热
当湿度 < 湿度下限阈值：停止通风

4.4.2 PM2.5控制逻辑

PM2.5控制逻辑如图4-9所示。

图4-9 PM2.5控制逻辑

控制逻辑：

当PM2.5浓度 > PM2.5上限阈值：启动通风
当PM2.5浓度 < PM2.5下限阈值：停止通风

4.4.3 空气质量控制逻辑

空气质量控制逻辑如图4-10所示。

图4-10 空气质量控制逻辑

控制逻辑：

当空气质量指数 > 空气质量上限阈值：启动UV消毒
当空气质量指数 < 空气质量下限阈值：停止UV消毒

4.4.4 柜门状态控制逻辑

柜门状态控制逻辑如图4-11所示。

图4-11 柜门状态控制逻辑

控制逻辑：

柜门关闭：启动UV消毒
柜门打开：关闭UV消毒

4.4.5 光照控制逻辑

光照控制逻辑如图4-12所示。

图4-12 光照控制逻辑

控制逻辑：

光照值 < 光照下限阈值且柜门打开：启动照明
光照值 > 光照上限阈值且柜门打开：关闭照明
柜门关闭：关闭照明

4.5 人机交互设计

4.5.1 按键功能设计

系统配备3个功能按键，用于调节阈值和切换模式：

模式切换键：切换系统工作模式（自动模式、手动模式、节能模式）。
阈值调节键：进入阈值调节模式，调节各参数阈值。
确认键：确认阈值设置或模式切换。

4.5.2 OLED显示屏显示设计

OLED显示屏显示内容包括：

主界面：显示当前温湿度、PM2.5浓度、空气质量指数、光照值。
阈值设置界面：显示当前各参数阈值，可进行调节。
系统状态界面：显示当前各功能模块工作状态（加热、通风、UV消毒、照明）。
模式切换界面：显示当前系统工作模式。

显示屏内容实时更新，确保用户能直观了解鞋柜内部环境状态。

4.6 蓝牙通信协议设计

蓝牙通信协议设计采用自定义协议，包括数据格式和通信流程。

4.6.1 数据格式

蓝牙通信数据格式如下：

字段	长度（字节）	说明
开始符	1	0xAA
数据类型	1	0x01: 温湿度, 0x02: PM2.5, 0x03: 空气质量, 0x04: 光照
数据值	2	16位整数，表示测量值
校验和	1	数据类型+数据值的和的低8位
结束符	1	0xBB