基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉　偉，楊中良，朱思言，潘露露

(周口師范學(xué)院，機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

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基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉偉，楊中良，朱思言，潘露露

(周口師范學(xué)院，機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

傳統(tǒng)晾衣架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，不能滿(mǎn)足人們快節(jié)奏生活的需求. 針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)出基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程及傳感器共同控制的自動(dòng)晾衣系統(tǒng)，隨時(shí)隨地控制晾衣系統(tǒng)的工作狀態(tài)，讓衣服充分晾曬. 同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的加熱裝置能使衣服快速風(fēng)干，殺菌消毒裝置能使衣物更加潔凈. 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎，功能多樣，是智能家居的典型代表.

智能家居；Arduino；傳感器；遠(yuǎn)程控制

晾衣架是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，傳統(tǒng)晾衣架雖然解決了基本的晾曬衣物問(wèn)題，但隨著人們生活水平的提高，生活節(jié)奏的加快，傳統(tǒng)晾衣架已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求. 目前市場(chǎng)上的“智能”晾衣架只是增加了手動(dòng)或電動(dòng)升降功能，而智能晾衣架基本上都處于構(gòu)想階段，并且功能不夠完善. 基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程與傳感器共同控制的自動(dòng)晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提出，彌補(bǔ)了這一方面的不足. 該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)晾衣架的基礎(chǔ)上增加了遠(yuǎn)程控制與傳感器自動(dòng)感應(yīng)雙重控制功能，使晾衣系統(tǒng)隨時(shí)隨地受到控制，同時(shí)還增加了殺菌消毒、加熱風(fēng)干等功能.

1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)晾衣系統(tǒng)主要由主控電路、繼電器控制電路模塊、傳感器電路模塊[1]、遠(yuǎn)程控制模塊、電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊及加熱風(fēng)干殺菌消毒等模塊組成，如圖1所示.

2　功能介紹

該系統(tǒng)考慮到使用者的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)更加人性化,將控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式. 當(dāng)控制模式為手動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制模式不起作用，由使用者根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，按動(dòng)按鈕，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的收回或伸出. 當(dāng)控制模式開(kāi)啟為自動(dòng)時(shí)，有傳感器控制和遠(yuǎn)程控制兩部分完成，此時(shí)，手動(dòng)控制模式不起作用. 通過(guò)向SIM900A模塊和微信測(cè)試端發(fā)送相應(yīng)的指令，服務(wù)器會(huì)將發(fā)送的指令經(jīng)過(guò)主控板轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，繼而控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn). 傳感器控制部分：當(dāng)陽(yáng)光充分時(shí)，晾衣架伸出；當(dāng)陽(yáng)光微弱時(shí)，晾衣架收回；如果光照過(guò)強(qiáng)，晾衣架也會(huì)自動(dòng)收回，避免衣物被強(qiáng)光照射. 遇到陰雨天時(shí)，空氣中濕度大，晾衣架會(huì)自動(dòng)收回，不讓衣物淋濕. 因?yàn)橄到y(tǒng)有傳感器、遠(yuǎn)程控制兩種控制方式，考慮到Arduino主控板在同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)時(shí)，可能執(zhí)行多個(gè)命令的問(wèn)題，這里是通過(guò)程序讓遠(yuǎn)程控制優(yōu)先級(jí)大于傳感器控制的優(yōu)先級(jí)，讓使用者隨時(shí)隨地控制系統(tǒng). 另外，系統(tǒng)中加入的加熱風(fēng)干裝置，可以讓剛剛洗過(guò)的衣物快速風(fēng)干，給使用者帶來(lái)方便. 系統(tǒng)中加入的殺菌消毒功能，讓清洗的衣物潔凈，可以讓皮膚細(xì)嫩的小孩免受細(xì)菌的感染.

圖1　自動(dòng)晾衣系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3　控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3. 1 硬件設(shè)計(jì)

3. 1. 1主控電路模塊

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)[2]，包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE). 其硬件平臺(tái)是基于AVR單片機(jī)的主控制電路板，以及各式輸入/輸出子模塊，同時(shí)還包括各種傳感器模塊、電機(jī)控制模塊與以太網(wǎng)接入模塊. Arduino有自己的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)語(yǔ)言與C++相似，使用者易學(xué)易編程，因?yàn)锳rduino是開(kāi)源電子元件，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得大量的庫(kù)文件，便于使用者參考和使用. 基于AVR單片機(jī)的主控制電路板如圖2所示.

圖2　基于AVR單片機(jī)的主控制電路板圖

3. 1. 2電源模塊

在電子電路的設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電. 單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓[3]. 由于Arduino控制板的電源電壓是9 V直流電壓，而家庭用電基本上都是220 V的交流電，不能直接給控制板供電. 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，作者設(shè)計(jì)出AC/DC電源模塊. 電源模塊解決了家庭用電電壓與Arduino控制板的電源電壓不同的問(wèn)題. 下面具體介紹AC/DC變換電路.

由220 V交流電作為電源，通過(guò)變壓器使輸出電壓范圍為15～18 V，然后通過(guò)整流管IN4001或IN4002實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換[4]. 其中三端集成線(xiàn)性穩(wěn)壓器7809實(shí)現(xiàn)DC/DC的變換，將整流后的電壓變?yōu)? V直流電源.三端集成線(xiàn)性穩(wěn)壓器7809是一種價(jià)格便宜、隨處都能買(mǎi)到的電子元件，用該電子元件來(lái)設(shè)計(jì)電源模塊，簡(jiǎn)單且節(jié)省成本. 電源模塊原理圖[5]如圖3所示.

圖3　電源模塊原理圖

3. 1. 3繼電器模塊

繼電器是工業(yè)控制中最常用的控制元件，主要用于控制與保護(hù)電路或用于信號(hào)轉(zhuǎn)換[6]. 在本設(shè)計(jì)中，繼電器由三極管來(lái)完成驅(qū)動(dòng)，當(dāng)三極管T基極被輸入高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，集電極變成低電平，此時(shí)繼電器線(xiàn)圈通電，觸點(diǎn)RL吸合. 當(dāng)三極管T基極被輸入低電平時(shí)，三極管截止，繼電器線(xiàn)圈斷電，觸點(diǎn)RL斷開(kāi). 電機(jī)根據(jù)繼電器的動(dòng)作完成自身的正反轉(zhuǎn). 繼電器工作原理圖4所示.

圖4　繼電器模塊原理圖

3. 1. 4遠(yuǎn)程控制模塊

由于有相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊和軟件庫(kù)的支持，利用Arduino網(wǎng)絡(luò)模塊板和微信相結(jié)合，很容易實(shí)現(xiàn)晾衣系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制. 微信是當(dāng)下非常熱門(mén)的一款社交軟件，使用微信控制方便快捷，使用者根據(jù)天氣情況和自身的需要，通過(guò)向微信測(cè)試端發(fā)送相應(yīng)的指令，Arduino網(wǎng)絡(luò)模塊板會(huì)根據(jù)接收的消息向繼電器發(fā)送信號(hào)，控制繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的收放. 例如，使用者在公司上班，碰到突然下雨的突發(fā)情況，無(wú)法及時(shí)回家收衣服，此時(shí)只需在有網(wǎng)絡(luò)的前提下，向微信測(cè)試端發(fā)送“收回”指令，Arduino網(wǎng)絡(luò)模塊收到指令后控制繼電器動(dòng)作，讓晾衣系統(tǒng)收回，避免衣服被雨水淋濕.

GSM就是全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，是與人們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞值囊环N聯(lián)系方式. SIM900A是SIMCOM公司開(kāi)發(fā)的一款高性能高性?xún)r(jià)比的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊. 通過(guò)軟件與硬件的結(jié)合，Arduino控制SIM900A模塊所使用的AT指令，發(fā)送相應(yīng)的指令要求，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、彩信、數(shù)據(jù)等的低功耗傳輸，進(jìn)而控制繼電器的動(dòng)作.

3. 1. 5傳感器模塊

本設(shè)計(jì)中涉及的傳感器有光敏電阻和溫濕度傳感器. 光敏電阻是具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小. 溫濕度傳感器與光敏電阻原理相似，同樣將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào). 該系統(tǒng)用到的溫濕度模塊為DHT11模塊，該模塊工作電壓3.3～5 V. 其中，濕度測(cè)量范圍：20%～95%(0～50 ℃范圍)，濕度測(cè)量誤差：±5 %；溫度測(cè)量范圍：0～50 ℃，溫度測(cè)量誤差：±2 ℃. 該精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)衣物的收回和伸出. 隨著傳感器對(duì)天氣情況的時(shí)刻反饋，Arduino主控板會(huì)將這些信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)達(dá)到程序中設(shè)定的值時(shí)，主機(jī)板會(huì)控制繼電器的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn).

3. 1. 6加熱風(fēng)干與殺菌消毒模塊

加熱風(fēng)干裝置由電熱絲和小風(fēng)扇組成. 當(dāng)需要使用時(shí)，接通電源，電熱絲產(chǎn)生熱量，讓衣物盡快吹干. 當(dāng)不需要加熱時(shí)，也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的控制，只吹風(fēng)，不加熱. 另外，通過(guò)程序的輸入，可以控制工作時(shí)間，防止使用者忘記關(guān)掉加熱風(fēng)干裝置讓衣物一直受熱. 除了加熱風(fēng)干裝置，該系統(tǒng)還加入了殺菌消毒的功能.紫外線(xiàn)殺菌是衣物殺菌的常用方法，通過(guò)紫外線(xiàn)的照射，能夠破壞微生物體細(xì)胞中DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到殺菌消毒的效果.

3. 2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分由主程序和各個(gè)傳感器及遠(yuǎn)程控制模塊對(duì)應(yīng)的子程序組成. 因?yàn)橛玫降挠袦貪穸葌鞲衅骱凸饷綦娮瑁由衔⑿藕蚐IM900A模塊的共同遠(yuǎn)程控制，必須考慮各個(gè)控制方式的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，這些主要依靠軟件的程序設(shè)計(jì)來(lái)完成；還要考慮一年四季各個(gè)地區(qū)，不同季節(jié)天氣變化情況等因素，這些也是依靠改變程序參數(shù)來(lái)完成.

4　結(jié)束語(yǔ)

該晾衣系統(tǒng)基于Arduino控制，加入溫度、濕度、光敏電阻傳感器，根據(jù)戶(hù)外的天氣情況實(shí)時(shí)控制晾衣系統(tǒng)的狀態(tài).另外，微信和SIM900A短信共同控制，讓使用者根據(jù)自己的需要隨時(shí)隨地改變晾衣架的伸出和收回. 手動(dòng)控制的加入使系統(tǒng)更加人性化. 基于遠(yuǎn)程與傳感器共同控制的自動(dòng)晾衣系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

[1]劉凱，萬(wàn)在紅，張雨晨,等. 基于GSM的智能晾衣架[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(17):172-174.

[2]趙英杰. 完美圖解Arduino互動(dòng)設(shè)計(jì)入門(mén)[M]. 北京：科學(xué)出版社,2014.

[3]胡峰，吳觀茂. 一種基于AT89C52 單片機(jī)的智能晾衣架設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(12):96-98.

[4]周冰. Altium Designer 13標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2014.

[5]張謙,孫曉,周浩,等. 基于單片機(jī)的智能晾衣架設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012(6):153-156.

[6]宋紹劍, 方鵬, 黃如疊,等. 一種基于SMS的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(9):64-67.

Design of automatic clothes drying system based on network remote control

LIU Wei，YANG Zhongliang，ZHU Siyan，PAN Lulu

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001,China)

The traditional clothes rack has simple structure and single function, which can’t meet the needs of fast rhythm of life. In view of this situation, the author has designed a based on network and remote sensor joint control of automatic clothes drying system, which control system anywhere, lets the clothes full laundry. At the same time, the heating device in the system can make the clothes quickly dried, sterilization and disinfection device can make the clothes cleaner. The design of the system is novel, functional diversity, and is a typical representative of the smart home.

smart home；Arduino；sensor；remote control

2016-03-17;

2016-04-20

劉偉(1976- )，女，河南太康人，副教授，碩士，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芸刂?，Tel:13663042501，E-mail:57229959@qq. com

TP273;TP925

A

1671-9476(2016)05-0075-03

10.13450/j.cnki.jzknu.2016.05.019