基於 STM32 與 FreeRTOS 的智慧晾衣架控制系統設計

智慧晾衣架實物

影片介紹：

摘要

針對傳統晾衣架在突發降雨時反應遲緩、功能單一的問題，本文設計並實作了一種基於 STM32F103C8T6 與 FreeRTOS 的智慧晾衣架控制系統。系統整合溫溼度（DHT11）、光照（BH1750）與雨滴感測器，透過事件匯流排架構實現感測器採集、業務決策與馬達執行的解耦，並藉由 ESP12F 模組接入 OneNET 雲端平台，支援遠端控制與雙晶片 OTA 韌體升級。測試結果顯示，系統在偵測到降雨後能可靠觸發回收動作，雨停後依可設定延遲自動晾出，運行穩定。

關鍵詞：STM32；FreeRTOS；智慧晾衣架；OTA；事件驅動

1 緒論

升降式晾衣架已廣泛進入家庭，但市面產品多停留在電動升降層面，缺乏對環境狀態的感知與自主決策能力。本設計在成本受限（Cortex-M3、64KB Flash、20KB RAM）的嵌入式平台上，引入即時作業系統與分層軟體架構，使晾衣架具備「下雨自動收、雨停延時晾」的自主行為，同時保留手動控制與遠端升級能力，兼顧實用性與可維護性。

2 系統總體設計

系統硬體由 STM32F103C8T6 主控、DHT11/BH1750/雨滴三路感測器、馬達驅動、OLED 顯示、W25Q64 外部 Flash 及 ESP12F WiFi 模組構成。軟體採用兩層架構：Hardware 層負責讀寫周邊並觸發事件，Services 層負責業務決策與狀態編排，兩層之間透過中心事件匯流排（AppEvent）解耦：

感測器任務 ──事件──▶ EventBus ──分發──▶ ClotheslineService（決策）──▶ Motor（執行）

此設計使感測器驅動與業務邏輯互不依賴，新增感測器或更換執行機構均不需更動決策層程式碼。

3 關鍵技術實作

3.1 雨滴偵測與回收狀態機

雨滴訊號存在機械抖動，直接採用會產生誤動作。系統在硬體層完成防抖後，由服務層以狀態機方式處理「回收—延時—晾出」三個階段：下雨立即回收；雨停後僅當自動模式且衣物處於收回狀態時，才等待 rainStopDelayMs（預設 15 s）確認無反覆降雨，再執行晾出，核心邏輯如下：

static void ProcessRainLogic(void)
{
    if (isRaining) {
        rainStopActive = 0;
        TryStartRetract();  /* 下雨回收是最高優先權，直接送出回收指令 */
        return;
    }
    rainRetracting = 0;  /* 不下雨了，清除回收旗標 */

    if (IsAutoMode() && clothesState == CLOTHES_IN) {
        if (!rainStopActive) {
            rainStopActive = 1;
            rainStopStartTicks = xTaskGetTickCount();
        } else if ((xTaskGetTickCount() - rainStopStartTicks)
                   >= pdMS_TO_TICKS(rainStopDelayMs)) {
            rainStopActive = 0;
            if (!Motor_IsRunning() && !isRaining) {
                Motor_DryOutForAuto();
            }
        }
    }
}

其中 rainStopActive 與 rainStopStartTicks 構成軟體定時視窗，避免雨滴間歇抖動導致的「收了又晾、晾了又收」。

3.2 雙晶片 OTA 升級

系統支援 STM32 與 ESP12F 兩顆晶片的遠端韌體升級：ESP12F 側採用 rBoot 雙分割區方案，保留不可變 recovery 分割區以實現升級失敗自動回退；STM32 側基於 IAP + YMODEM 序列埠協定，由 ESP12F 從伺服器拉取韌體串流轉發，升級過程中 OLED 即時顯示進度百分比，規避遠端變磚風險。

4 測試與結果分析

對雨滴回應鏈路進行連續 48 小時掛機測試：模擬降雨後系統均在 1 個決策週期內啟動回收，無漏觸發；雨停後，間歇性滴水（間隔小於延時閾值）期間衣物保持收回狀態，僅當持續無雨超過 15 s 才執行晾出，符合設計預期。溫溼度與光照資料經 MQTT 上報 OneNET 平台，App 端可即時檢視；兩顆晶片各執行 10 次 OTA 升級均成功，人為注入斷電故障後設備均能回退到可用韌體。

5 結論

本文完成了基於 STM32 + FreeRTOS 的智慧晾衣架系統設計，透過事件匯流排架構與狀態機決策實現了可靠的雨天自動回收功能，並配套了完整的 OTA 升級與中文字庫儲存方案。系統驗證了在資源受限的 MCU 上建構可維護、可遠端演進的物聯網產品的可行路徑，後續可擴充光照連動晾曬策略與語音控制入口。