CN109538516A - 一种智能风扇 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能风扇，属于风扇技术领域，包括风扇本体和控制系统，控制系统包括控制模块、电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块、风扇电机驱动模块、摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块，按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块的信号输出端与控制模块的信号输入端连接，控制模块的信号输出端与风扇电机驱动模块、摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块的信号输入端连接。本发明在传统手动控制模式的基础上，增加语音控制、智能控制、远程控制的功能，实现远程控制、实时监控智能风扇工作情况，能够满足现代智能生活的需求。
Description
技术领域
本发明属于风扇技术领域，具体涉及一种智能风扇。
背景技术
随着生活水平的提高，智能家电也越来越受欢迎。目前现有的风扇不具备根据环境温度自动调节风速的功能，另外，目前的风扇在无人的情况下，仍是按照原先的转速进行工作，不能起到节能的目的，并且现有风扇也不具备语音遥控功能，总之，目前的风扇功能单一，不能满足智能家居生活的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能齐全、控制方便的智能风扇。
基于以上目的，本发明采取以下技术方案：一种智能风扇，包括风扇本体与设置在风扇本体上的控制系统，所述控制系统包括控制模块、电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块、用于驱动风扇工作的风扇电机驱动模块、用以控制风扇摇头方向及速度的摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块，所述电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块的信号输出端与控制模块的信号输入端连接，控制模块的信号输出端与风扇电机驱动模块、摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块的信号输入端连接。
优选地，所述控制模块通过无线通信模块与远程控制终端通信连接。
优选地，所述无线通信模块采用型号为ESP8266 WIFI芯片；所述远程控制终端为手机。
优选地，所述按键模块包括启停按键、模式切换按键、风速加按键、风速减按键、转向开/关按键、定时设置按键、定时时间加按键和定时时间减按键；
按键模块还包括按键提示单元，按键提示单元包括有源蜂鸣器和用于驱动蜂鸣器的驱动电路。
优选地，所述语音识别模块包括LD3320语音识别芯片；所述语音播放模块包括ISD1700录放芯片。
优选地，所述人体红外检测模块包括HC-SR501人体红外感应芯片；所述温湿度检测模块包括DHT11温湿度传感器。
优选地，所述风扇电机驱动模块包括风扇电机和驱动风扇电机的BTS7960驱动芯片；所述摇头转动电机驱动模块包括摇头转动电机和驱动摇头转动电机的LM298N驱动芯片。
优选地，所述控制模块包括型号为STM32F103VET6的控制器。
优选地，所述电源模块包括市电供电单元和锂电池供电单元；所述显示模块包括显示屏
优选地，所述风扇本体包括风扇扇头和风扇支架，所述风扇扇头和风扇支架组装拆卸连接，所述风扇扇头上设有用于安装控制系统的安装腔室。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中的智能风扇功能齐全，在传统手动控制模式的基础上，增加语音控制、智能控制、远程控制的功能，不但可以通过移动终端模块控制智能风扇运行参数，控制器将接收到的智能风扇运行状态以及环境温湿度参数传输给远程控制终端，实现远程实时监控智能风扇工作情况，能够满足现代智能生活的需求，也达到了节约能源的目的。本发明采用STM32F103VET6作为微控制器，STM32F103VET6微控制器有丰富的I/O端口、串口通信、定时器等内部资源。
2、本发明采用双电源供电模式，不但可以直接采用市电供电，还可以采用锂电池供电。风扇电机M1和摇头转动电机M2均采用12V直流电机，安全节能。
3、本发明中的风扇扇头和风扇支架组装拆卸连接，风扇扇头可以安装在风扇支架上，作为落地扇使用，另外风扇扇头还能够拆卸下来安装在墙体上，方便不同场所使用，以满足不同使用者的需求。
4、本发明中的智能风扇，既能作为送风扇使用，也能作为排风扇使用，功能多样化。
附图说明
图1为本发明控制系统的电路原理框图；
图2为发明中的远程控制原理框图；
图3为本发明控制系统的电路原理；
图4为本发明中控制系统的主程序流程图；
图5为本发明中控制系统的WIFI中断服务子程序流程图；
图6为本发明中控制系统的定时中断服务子程序流程图；
图7为本发明中控制系统的语音中断服务子程序流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的最佳实施例。
如图1-7所示，一种智能风扇，包括风扇本体与设置在风扇本体上的控制系统，控制系统包括控制模块、电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块、用于驱动风扇工作的风扇电机驱动模块、用以控制风扇摇头方向及速度的摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块，所述电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块的信号输出端与控制模块的信号输入端连接，控制模块的信号输出端与风扇电机驱动模块、摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块的信号输入端连接。
控制模块包括型号为STM32F103VET6的控制器及其外围的复位电路、振荡电路等外围电路构成的控制器的最小系统。
本发明采用STM32F103VET6作为微控制器（MCU），STM32F103VET6微控制器有丰富的I/O端口、串口通信、定时器等内部资源。
另外，控制模块通过无线通信模块与远程控制终端通信连接，无线通信模块采用型号为ESP8266 WIFI芯片，本发明中的无线通信模块采用型号为ESP8266 WIFI芯片U3，ESP8266 WIFI芯片U3采用串口通信并与控制器的USART1相连接进行信息交互，即ESP8266WIFI芯片的TXD脚与控制器的PA10脚连接，ESP8266 WIFI芯片的RXD脚与控制器的PA9引脚连接。
电源模块包括市电供电单元和/或锂电池供电单元和电源指示灯，本发明的电源模块为市电供电单元和锂电池供电单元双供电模式，市电通过电源模块将220V交流电转换为12V直流为用电器件供电，另外，电源模块还包括降压单元，降压单元采用型号为LM2596HV的降压芯片U11，降压芯片U11将12V直流电转换为3.3V直流电VCC为控制系统各用电芯片供电。
本发明中的按键模块包括8个功能按键，其分别为启停按键KY2、模式切换按键KY3、风速加按键KY4、风速减按键KY5、转向开/关按键KY6、定时设置按键KY7、定时时间加按键KY8和定时时间减按键KY9。启停按键KY2的第一端通过第四电阻R4接电源，启停按键KY2的第一端还与控制器的PD6脚连接；模式切换按键KY3的第一端通过第五电阻R5接电源，模式切换按键KY3的第一端还与控制器的PD7脚连接；风速加按键KY4的第一端通过第六电阻R6接电源，风速加按键KY4的第一端还与控制器的PD8脚连接；风速减按键KY5的第一端通过第七电阻R7接电源，风速减按键KY5的第一端还与控制器的PD9脚连接；转向开/关按键KY6的第一端通过第八电阻R8接电源，转向开/关按键KY6的第一端还与控制器的PD10脚连接；定时设置按键KY7的第一端通过第九电阻R9接电源，定时设置按键KY7的第一端还与控制器的PD11脚连接；定时时间加按键KY8的第一端通过第十电阻R10接电源，定时时间加按键KY8的第一端还与控制器的PD12脚连接；定时时间减按键KY9的第一端通过第十一电阻R11接电源，定时时间减按键KY9的第一端还与控制器的PD13脚连接。
当模式切换按键KY3按下时，智能风扇切换工作模式，由手动模式转换至智能模式，根据设定的功能自动调节运行参数。当模式切换按键KY3再次按下，智能风扇切换工作模式切换到手动模式，由用户通过按键模块中的相应按键调节智能风扇的运行参数。即，根据用户需求调节风量的大小本发明设计通过反复验证最终将风量步进调整为10个档位；通过风速加按键KY4、风速减按键KY5、或手机APP（用于控制智能风扇的软件）可随意调节风量大小。
按键模块还包括按键提示单元，按键提示单元包括有源蜂鸣器B1和用于驱动蜂鸣器的驱动电路。驱动电路包括驱动三极管Q1，驱动三极管Q1的基极通过第二电阻R2与控制器的PD3脚连接，驱动三极管Q1的集电极接地，驱动三极管Q1的发射极与有源蜂鸣器B1的负极连接，有源蜂鸣器B1的正极接电源。当按键被按下时，由有源蜂鸣器B1发出提示音。
本发明中的语音识别模块采用型号为LD3320的语音识别芯片U4，语音识别芯片U4通过串口与控制器的USART2连接，即语音识别芯片U4的TXD引脚与控制器的PA2引脚连接，语音识别芯片U4的RXD引脚与控制器的PA3连接。
语音播放模块采用型号为ISD1700的录放芯片U5，录放芯片U5采用SPI接口与控制器进行通信。
语音录放模块采用SPI接口与MCU进行通信，其中录放芯片U5的MISO接口与控制器的PB6引脚连接，录放芯片U5的MOSI接口与控制器的PB7引脚连接，录放芯片U5的SCLK接口与控制器的PB8引脚连接，录放芯片U5的SS接口与控制器的PB9引脚连接；录放芯片U5的SP+和SP-分别接扬声器LS1的两极。
语音识别模块用于接收语音指令，并将语音指令发送至控制器，控制器对接收的语音信号与实现存储的语音参数进行比对，并根据比对结果，发送相应的控制指令，控制智能风扇的工作状态、工作模式、风量大小以及控制语音播报模块播报相应的命令参数（风速信息、温湿度信息、风扇工作模式等相应信息）。
人体红外检测模块包括第一人体红外感应芯片U7和第二人体红外感应芯片U8，第一人体红外感应芯片U7和第二人体红外感应芯片U8均采用型号HC-SR501的人体红外感应芯片，第一人体红外感应芯片U7的OUT引脚通过第十三电阻R13与电源相连，然后再与控制器的PD1引脚连接。第二人体红外感应芯片U8的OUT引脚通过第十四电阻R14与电源相连，然后再与控制器的PD2引脚连接。本发明通过第一人体红外感应芯片U7和第二人体红外感应芯片U8来锁定人员与智能风扇的相对位置，从而控制智能风扇摇头的方向和角度，人体红外检测模块主要工作于智能模式，每隔1秒检测一次人员的有无，以向控制器传输相关命令，如有人，智能风扇可根据环境温度的不同自动选择合适的风量；当检测不到人员信号时，控制器控制智能风扇将风量调节到最小档位，起到节能的目的。
本发明中的温湿度检测模块采用型号为DHT11的温湿度传感器U6，温湿度传感器U6通过单总线方式与控制器进行通信，具有占用I/O端口资源少，易于控制的优点。其中温湿度传感器U6的DATA引脚第十二电阻R12与电源连接，然后再与控制器的PD0引脚相接。温湿度传感器U6实时采集室内温度信号，并将采集的温度信号发生至控制器。
当智能风扇处于智能模式时，控制器对接收到的温度信号分析处理，并与实现内部存储的温度信息比对，根据比对结果，控制智能风扇运行状态（风量大小）。智能模式下，温湿度检测模块和人体红外检测模块配合向控制器传输相关数据，供控制器分析决策。
本发明中的风扇电机驱动模块包括风扇电机M1和驱动风扇电机的驱动芯片，驱动风扇电机的驱动芯片采用BTS7960驱动芯片U9，BTS7960驱动芯片U9的RPWM引脚与控制器的PA6引脚连接，BTS7960驱动芯片U9的LPWM引脚与控制器的PA7引脚连接，BTS7960驱动芯片U9的R_EN和L_EN引脚分别接电源。
BTS7960驱动芯片U9组成H桥，可由控制器的内部定时器T3产生并输出PWM（脉冲宽度调制）波控制风扇电机M1的转速进而控制风量的大小，PA7由控制器输出低电平，控制器内部定时器产生PWM波从PA6引脚输出，控制风扇电机M1正转，此时智能风扇为送风扇，且风速由PWM 波的占空比控制。当PA6输出低电平，PWM波从控制器的PA7引脚输出时，风扇电机M1反转，此时风扇作为排风扇，向外抽风，风速由PWM波占空比控制。
摇头转动电机驱动模块包括摇头转动电机M2和驱动摇头转动电机的驱动芯片，驱动摇头转动电机M2的驱动芯片采用LM298N驱动芯片U10，LM298N驱动芯片U10的EN接口与控制器的PB0引脚连接，控制器内部的定时器T3产生PWM波从PB0引脚输出，控制风扇摇头的快慢；LM298N驱动芯片U10的IN1和IN2接口分别与控制器的PB1和PB5引脚连接，控制风扇摇头的方向。
显示模块包括主要显示当前温度、湿度、风速、工作模式、定时时间等参数信息的显示屏U2，显示屏U2为点阵的0.96寸OLED屏，
显示屏U2采用IIC协议与控制器进行数据通信。显示屏U2的SCL引脚与控制器的PA1引脚连接，显示屏U2的SDA引脚与控制器的PA0引脚连接。
显示屏U2主要分四行显示，第一行居中显示“智能风扇”、第二行“温度：（实时显示环境温度）”、第三行“风量：（显示实时档位）”、第四行“模式：（显示目前智能风扇的工作模式）”。其中显示屏U2右上角显示当前时间、电池余量（类似手机显示屏上时间、电量的显示。另外，根据需要，也可以在显示屏上显示其他用户想得知的信息，比如，当在控制系统中加入一些特殊检测器时（甲醛、粉尘等有害其他检测器），可以将特殊检测器检测的信息在显示屏上显示。
智能风扇在待机状态下检测运行模式是否被触发，如未触发，智能风扇默认进入手动模式，并将风扇风量调整到中档位；当模式切换按键KY3按下时，智能风扇切换工作模式至智能模式，根据设定的功能自动调节风量；
当模式切换按键KY3再次按下，模式切换到手动模式，由用户利用风量调节按键调节风量大小。
手动模式下，系统不断检测按键模块中按键和接收手机信号，通过按键或手机指令用户可随意调节风量，根据用户调节的风量档位，控制器输出PWM控制风扇电机M1转速。
当检测到模式为智能模式，系统首先通过人体红外检测模块检测是否有人，再根据环境温度自动调节合适的风量；当无人或人员离开控制器控制风扇以最小风量输出。
本发明中的远程控制终端为手机，本发明中的手机采用智能手机，无线通信模块利用串口接收来自手机的命令，能够实现“开机”、“关机”、“模式切换”、“风量加”和“风量减”；实现远程控制智能风扇的工作状态、工作模式、预约开关机，另外还可以通过手机实现远程监控室内温湿度信息。
智能风扇的ESP8266 WiFi模块通过AT指令连接无线路由器和设置端口号，ESP8266 WiFi模块通过该端口号与无线路由器交互信息。
智能手机登录智能风扇APP，APP绑定智能风扇所连接无线路由器的IP地址和端口号，当APP上的功能按钮被按下，智能手机通过移动数据网或WiFi向绑定的IP地址和端口号发送相应的命令/数据。
当无线路由接收到智能手机发送的命令/数据时，再将该命令/数据通过端口号转发给ESP8266 WiFi模块，WiFi模块得到数据通过串口将命令/数据发送给控制器，由控制器来处理该命令/数据。
同理，控制器可通过ESP8266 WiFi模块将相关信息（如室温、智能风扇的开/关、智能风扇的工作模式、定时时间等）发送到智能手机并在APP上进行显示。由此实现智能手机远程控制智能风扇。
本发明还包括模式指示灯单元，模式指示灯单元包括手动模式指示灯LED1和智能模式指示灯LED2，手动模式指示灯LED1和智能模式指示灯LED2的正极均通过第十五电阻与电源连接，手动模式指示灯LED1和智能模式指示灯LED2的负极分别与控制器的PD4和PD5脚连接。
工作原理：接通电源，通过操作面板上，按键模块中启停按键或通过手机的一键启停按钮可开机或关机；智能风扇包括手动模式和智能模式两种模式，初始状态，智能风扇处于默认手动模式，此时，通过按键模块中的相应按键，可控制智能风扇工作状态，手动模式下，用户可根据用户需求调节自行调节风量的大小，并且手动模式下，风量调节范围较宽，该设计通过反复验证最终将风量步进调整为10个档位；通过风速加按键KY4、风速减按键KY5两个按键或手机APP可随意调节风量大小，控制模块通过无线通信模块将智能风扇运行状态及环境温湿度信息发送给手机，手机通过无线通信模块监控室内的环境状况（如温湿度、特殊气体含量等），并远程调节智能风扇的工作状态。通过模式切换按键可切换智能风扇工作模式，当智能风扇处于智能模式时，人体红外检测模块实时检测是否有人员在室内，温湿度检测模块实时检测所处环境温度，当有人时，智能风扇可根据环境温度的不同自动选择合适的风量，另外，还根据人与智能风扇相对位置，智能风扇自动改变摇头转向的角度。如周围无人智能风扇会将风量调节到最小档位，起到节能目的。
语音识别模块接收语音信息，可以通过语音识别模块控制智能风扇的工作模式和风速大小。还可以利用语音播报模块播报智能风扇的工作模式、风速以及环境的温湿度和特殊气体含量（当安装有相应的特殊气体检测器时，可以实现该功能）。
本发明中的风扇本体包括风扇扇头和风扇支架，风扇扇头和风扇支架组装拆卸连接，风扇扇头上设有用于安装控制系统的安装腔室。
风扇扇头和风扇支架组装拆卸连接，比如可以在风扇扇头上与风扇支架的连接处设置卡槽，在风扇支架上设置与卡槽适配的卡块，将风扇扇头和风扇支架卡接为一体；或者在风扇扇头上与风扇支架的连接处设置带内螺纹的螺孔，在风扇支架上设置与螺孔适配的带有外螺纹的连接杆，风扇扇头和风扇支架螺纹连接，类似落地扇的结构。当需要将风扇设置在高处时，可以将风扇扇头和风扇支架拆开，将风扇扇头安装在墙体上或其他高处位置。方便不同场所使用，以满足不同使用者的需求。
本发明中的智能风扇功能齐全，在传统手动控制模式的基础上，增加语音控制、智能控制、远程控制的功能，另外，不但可以通过移动终端模块控制智能风扇运行参数，控制器将接收到的智能风扇运行状态以及环境温湿度参数传输给远程控制终端，实现远程实时监控智能风扇工作情况，能够满足现代智能生活的需求，也达到了节约能源的目的。
本发明采用双电源供电模式，不但可以直接采用市电供电，还可以采用锂电池供电。风扇电机M1和摇头转动电机M2均采用12V直流电机，安全节能。
本发明可以用在家庭、温室大棚、恒温车间或教室新风系统等场所。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能风扇，包括风扇本体与设置在风扇本体上的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括控制模块、电源模块、按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块、用于驱动风扇工作的风扇电机驱动模块、用以控制风扇摇头方向及速度的摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块，所述按键模块、温湿度检测模块、人体红外检测模块、语音识别模块的信号输出端与控制模块的信号输入端连接，控制模块的信号输出端与风扇电机驱动模块、摇头转动电机驱动模块、显示模块和语音播放模块的信号输入端连接。
2.如权利要求1所述的智能风扇，其特征在于：所述控制模块通过无线通信模块与远程控制终端通信连接。
3.如权利要求2所述的智能风扇，其特征在于：所述无线通信模块采用型号为ESP8266WIFI芯片或蓝牙；所述远程控制终端为手机。
4.如权利要求3所述的智能风扇，其特征在于：所述按键模块包括启停按键、模式切换按键、风速加按键、风速减按键、转向开/关按键、定时设置按键、定时时间加按键和定时时间减按键；
按键模块还包括按键提示单元，按键提示单元包括有源蜂鸣器和用于驱动蜂鸣器的驱动电路。
5.如权利要求4所述的智能风扇，其特征在于：所述语音识别模块包括LD3320语音识别芯片；所述语音播放模块包括ISD1700录放芯片。
6.如权利要求5所述的智能风扇，其特征在于：所述人体红外检测模块包括HC-SR501人体红外感应芯片；所述温湿度检测模块包括DHT11温湿度传感器。
7.如权利要求6所述的智能风扇，其特征在于：所述风扇电机驱动模块包括风扇电机和驱动风扇电机的BTS7960驱动芯片；所述摇头转动电机驱动模块包括摇头转动电机和驱动摇头转动电机的LM298N驱动芯片。
8.如权利要求7所述的智能风扇，其特征在于：所述控制模块包括型号为STM32F103VET6的控制器。
9.如权利要求8所述的智能风扇，其特征在于：所述电源模块包括市电供电单元和锂电池供电单元；所述显示模块包括显示屏。
10.如权利要求1-9任一所述的智能风扇，其特征在于：所述风扇本体包括风扇扇头和风扇支架，所述风扇扇头和风扇支架组装拆卸连接，所述风扇扇头上设有用于安装控制系统的安装腔室。
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