具有環(huán)境感知功能的智能晾衣架

付麟杰+商春雪+李斌+楊昆+羅毅+董興華+李秋瑾

摘 要：為解決天氣變化而無法及時(shí)晾曬衣物的問題，以STC12單片機(jī)為控制芯片，通過剪叉式機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款可自動伸縮的智能晾衣架。該晾衣架可通過判斷天氣的變化實(shí)現(xiàn)衣物的自動晾曬和回收，從而解決在無人情況下衣物的自動晾曬和回收問題。

關(guān)鍵詞：自動晾曬衣物；單片機(jī)；剪叉式機(jī)械結(jié)構(gòu)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-05

0 引 言

智能家居所帶來的全新生活方式順應(yīng)了社會發(fā)展的需要，隨著社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、家庭人口結(jié)構(gòu)以及信息技術(shù)的發(fā)展變化，人們對家居環(huán)境的安全性、舒適性、高效性提出了更高的要求。同時(shí)越來越多的家庭要求家居產(chǎn)品不僅具備簡單的智能功能，更要求整個(gè)系統(tǒng)在功能擴(kuò)展、外延以及服務(wù)方面能夠做到簡單、方便、輕松，安全。而智能衣架可讓人們無論身處何地，都可以高效智能地掌控家居，享受高品質(zhì)的生活。

針對目前傳統(tǒng)晾衣架的現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)了一種基于傳感器和通信模塊的自動控制晾衣架，實(shí)現(xiàn)集天氣情況監(jiān)測、通信報(bào)警、自動收縮衣架功能于一體的智能控制結(jié)構(gòu)。晾衣架可以感應(yīng)外界陽光自動晾衣，下雨自動收衣，在家中可用遙控智能控制，對于上班一族而言，還可遠(yuǎn)程手機(jī)通信。

1 研究現(xiàn)狀

近十年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及房地產(chǎn)的快速擴(kuò)張，直接促進(jìn)了裝修家居行業(yè)的飛速發(fā)展，其中晾衣架市場已脫穎而出，十年間發(fā)展迅猛。智能晾衣架作為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)，已由起步階段逐漸成熟。

由于手搖晾衣架本身存在構(gòu)造簡單，使用壽命短、保養(yǎng)繁瑣等種種缺陷，無法滿足消費(fèi)者日益發(fā)展的家居智能化需求。原始的晾衣架只是一根穿有繩子或者鐵絲的鋼管，之后借助尼龍繩手動牽引升降，后來發(fā)明了尼龍繩式手搖晾衣架，直至八九十年代，晾衣架才進(jìn)化到了鋼絲手搖式。以廣東好太太為首的手搖晾衣架迅速占領(lǐng)了國內(nèi)市場。

到二十世紀(jì)初，電動晾衣架橫空出世，南京屋之秀于2003年的廣州家居五金展覽會上首次展示了電動晾衣機(jī)。從此，晾衣架市場風(fēng)云再起。南京屋之秀作為電動晾衣機(jī)的開山鼻祖，由于種種原因，已經(jīng)銷聲匿跡。取而代之的是好易點(diǎn)智能晾衣架的一路升級換代。近幾年，好易點(diǎn)智能晾衣機(jī)以其不斷創(chuàng)新的技術(shù)，人性化的晾衣體驗(yàn)，逐步被消費(fèi)者認(rèn)可，一時(shí)引領(lǐng)了智能晾衣機(jī)市場的潮流！

電動晾衣機(jī)在亞洲發(fā)達(dá)國家及地區(qū)起步較早，在日本、韓國、新加坡等國電動晾衣機(jī)市場普及率已達(dá)40%以上；國內(nèi)電動晾衣機(jī)市場正在步入高速發(fā)展的快車道，上海、北京、廣州等一線城市市場占有率已達(dá)5～10%。未來五年，智能晾衣機(jī)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)戶外晾衣架、室內(nèi)手搖晾衣架，成為家庭晾衣的新寵兒。

東莞市沃淪瑪電子科技有限公司推出的“衣衣不舍”智能晾衣架可以通過紅外遙控的方式對晾衣架進(jìn)行操作，極大地方便了人們的起居生活；之后，陸續(xù)有多個(gè)團(tuán)隊(duì)推出了通過MCU控制的智能晾衣架，使智能晾衣架得到了更快的發(fā)展，也使更多的人開始關(guān)注智能晾衣架。我們的團(tuán)隊(duì)通過將MCU控制，無線控制等多個(gè)方面結(jié)合起來，開發(fā)出了一套集多功能于一體的智能晾衣架控制系統(tǒng)。

2 主要架構(gòu)及工作原理

2.1 主要架構(gòu)

智能晾衣架系統(tǒng)由主控芯片，環(huán)境感知，無線通信，人機(jī)交互，機(jī)械控制五部分組成。

（1）主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)對收到的信號進(jìn)行判斷從而控制機(jī)械結(jié)構(gòu)；

（2）環(huán)境感知部分由光照傳感器和雨量傳感器組成[1]，可讀取外界的光照強(qiáng)度和雨量大小，然后將信號發(fā)給單片機(jī)；

（3）無線通信主要由藍(lán)牙通信和GSM通信組成，可以遠(yuǎn)程控制晾衣架；

（4）人機(jī)交互部分可以實(shí)現(xiàn)手動控制晾衣架；

（5）機(jī)械控制部分實(shí)現(xiàn)晾曬衣物的功能[2-5]。

晾衣架主要架構(gòu)如圖1所示。

2.2 工作原理

當(dāng)光照傳感器讀取到的光照強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)接收到晾衣的信號，發(fā)出指令使直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動了機(jī)械部分工作，機(jī)械臂則通過帶動晾衣架上升實(shí)現(xiàn)晾曬衣物的目的；當(dāng)雨量傳感器讀取到的雨量大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)接收到收衣的信號，同時(shí)發(fā)出指令使直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動機(jī)械部分工作，機(jī)械臂通過帶動晾衣架下降收回衣物?？紤]到晾衣架是否能夠成功伸出并收回，系統(tǒng)加入了調(diào)整方向的功能。由于生活中還存在臨時(shí)晾收衣物的情況，故在系統(tǒng)中加入了藍(lán)牙模塊[6]和GSM模塊[7]。當(dāng)人們距離晾衣架系統(tǒng)較遠(yuǎn)時(shí)，可使用GSM模塊對系統(tǒng)進(jìn)行控制，例如手機(jī)發(fā)送短信。當(dāng)人們距離晾衣架系統(tǒng)較近時(shí)，考慮到使用GSM模塊會產(chǎn)生流量，話費(fèi)等問題，在系統(tǒng)中加入了藍(lán)牙模塊，可通過藍(lán)牙對系統(tǒng)進(jìn)行控制。此外，考慮到部分人群不使用手機(jī)的情況，可通過按鍵方式控制該系統(tǒng)。按鍵分別對應(yīng)晾衣，收衣，上升，下降，伸出，收回等功能，當(dāng)用戶按下相應(yīng)按鍵時(shí)，單片機(jī)就會接收到相應(yīng)信號，從而發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)該功能。同時(shí)，液晶顯示屏?xí)Ξ?dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行顯示，以便人們更直觀地觀察到智能衣架的運(yùn)行狀態(tài)。

3 智能晾衣架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主控芯片介紹

STC12C5A60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是集高速，低功耗，超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)于一身的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度比傳統(tǒng)8051快8～12 倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。

3.2 環(huán)境感知部分

3.2.1 光照強(qiáng)度檢測單元設(shè)計(jì)

考慮采集到的數(shù)據(jù)精度，文中選用NHZD10光照傳感器。NHZD10光照傳感器采用進(jìn)口專用照度傳感核心，光學(xué)材料窗口，鋁合金殼體結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、密封性好、使用壽命長、測量精度高、穩(wěn)定性好，傳輸距離長、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?？蓮V泛用于環(huán)境、溫室、實(shí)驗(yàn)室、養(yǎng)殖、建筑、高檔樓宇、工業(yè)廠房等各類室內(nèi)外光線強(qiáng)度測量。技術(shù)參數(shù)見表1所列，實(shí)物如圖2所示，光照傳感器電路原理圖如圖3所示。集成運(yùn)放A2采用LM324，它構(gòu)成了電壓比較器電路。調(diào)節(jié)電位器R使在陰天情況下，集成運(yùn)放A2輸出高電平；當(dāng)太陽光照到光敏元件NHZD10時(shí)，集成運(yùn)放A2輸出低電平。

考慮到使用的光照傳感器自帶AD接口，單片機(jī)自帶2路AD功能，而光照強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化使用了單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)化功能，因此將采集的光照強(qiáng)度的模擬量通過AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而對光照強(qiáng)度值進(jìn)行判斷。

當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取10位結(jié)果，則按式（1）計(jì)算：

其中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，將單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。

文中使用通道0作為AD的輸入端口， 360個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次，由于使用的光照傳感器量程為0～200 000 lux，AD采用10位轉(zhuǎn)換，故每一格代表200 000/（210）=195， 光照強(qiáng)度值由195×AD得到。

3.2.2 雨水檢測單元設(shè)計(jì)

雨水檢測使用了雨量傳感器，雨量傳感器參數(shù)見表2所列，實(shí)物如圖4所示。

傳感器的集成運(yùn)放Al采用LM324，其構(gòu)成了電壓比較器電路，其原理圖如圖5所示。當(dāng)沒有雨滴落在由敷銅板做成的傳感器上時(shí)，集成運(yùn)放A1輸出高電平；當(dāng)雨滴落在由敷銅板做成的傳感器上時(shí)，集成運(yùn)放A1輸出低電平。此時(shí)，單片機(jī)AD模塊可以通過測得的不同水量得到不同的電壓，當(dāng)單片機(jī)接收到電壓變化過大的信號時(shí)，就會發(fā)出指令使衣服收回。雨量傳感器工作原理和光照傳感器的工作原理相似，通過通道1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，利用公式（1）進(jìn)行AD計(jì)算。

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)及電機(jī)選擇

通過對市面上主流的電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行分析，文中選擇L298N電機(jī)驅(qū)動模塊[8]。L298N具有驅(qū)動能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，可提高其可靠性。L298N參數(shù)見表3所列，實(shí)物圖如圖6所示。

L298N電機(jī)驅(qū)動模塊可以同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)。但由于系統(tǒng)只用L298N驅(qū)動一個(gè)電機(jī)，因此文中只介紹驅(qū)動一個(gè)電機(jī)的原理。OUT1和OUT2分別接電機(jī)的兩個(gè)端口以驅(qū)動電機(jī)。IN1和IN2分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，當(dāng)光照強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，IN1處于低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)雨量大于預(yù)設(shè)值時(shí)，IN2處于低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路如圖7所示。L298N有兩個(gè)電源端口，分別為12 V和5 V，12 V接入外部電源，5V接入單片機(jī)。當(dāng)外部電源供電時(shí)，電機(jī)只能按照預(yù)設(shè)方向轉(zhuǎn)動，只有當(dāng)外部電源和單片機(jī)同時(shí)開啟時(shí)，才能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。

考慮到晾衣架的驅(qū)動需要大扭矩電機(jī)，因此選擇直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)即齒輪減速電機(jī)，在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱可提供較低的轉(zhuǎn)速與較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。此舉大大提高了直流電機(jī)在自動化行業(yè)中的使用率。圖8所示為選擇的直流減速電機(jī)實(shí)物圖。

在某些特殊情況下，需要控制衣物收回的速度，因此要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速可變，故通過PWM信號控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 [9，10]。PWM控制方式是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需波形，即在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的波形如圖9所示。

由波形圖可得，在一個(gè)脈沖周期T內(nèi)的平均電壓Ua可由公式（2）計(jì)算：

式中，Up為脈沖幅值。我們通過改變脈沖信號中高電平所占的比例，就能改變驅(qū)動電動機(jī)的平均電壓，從而達(dá)到電動機(jī)調(diào)速的目的。因此，我們設(shè)計(jì)了基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路并通過按鍵控制占空比。PWM電路由復(fù)合體管組成的H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組，根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在電路中起到防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用，防止電動機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過大。控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5 V電源，當(dāng)復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制時(shí)，控制電壓最高為5 V，加之晶體管自身壓降，加到電動機(jī)兩端的電壓約為4 V，嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力?；谝陨峡紤]，文中采用TLP521-2光耦集成塊將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離，在輸入端各通過一個(gè)晶體管增大光耦的驅(qū)動電流。PWM控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速原理圖如圖10所示。

3.3 無線通訊部分

3.3.1 藍(lán)牙通訊

使用藍(lán)牙通訊能夠近距離通過藍(lán)牙設(shè)備控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架伸縮的目的，大大增加了系統(tǒng)的可操作性和方便性[11，12]。HC-06是主從一體化的藍(lán)牙串口模塊，首先將HC-06與單片機(jī)連接，然后與手機(jī)配對，配對成功后手機(jī)發(fā)送AT指令給藍(lán)牙模塊，單片機(jī)通過判斷接收到的AT指令控制系統(tǒng)運(yùn)行。單片機(jī)與藍(lán)牙之間通過串口通信和外部中斷接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為01時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為02時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為03時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

此外，通過藍(lán)牙串口通信App[13]可隨時(shí)觀察藍(lán)牙設(shè)備與手機(jī)的連接情況和接收到的數(shù)據(jù)。

3.3.2 GSM通訊

GSM通信使用SIM900A接收手機(jī)發(fā)送的短信，然后將指令傳輸給STC12C5A60S2芯片，從而實(shí)現(xiàn)晾衣架的遠(yuǎn)程控制。SIM900A實(shí)物圖如圖11所示，與控制器的連接如圖12所示。

軟件控制流程為SIM900A無線通訊模塊接收到外來短信后，將指令發(fā)送給STC12C5A60S2主控芯片，單片機(jī)通過判斷發(fā)送過來的指令控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)晾衣架的伸縮功能。主程序流程如圖13所示。

3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

機(jī)械結(jié)構(gòu)[14，15]是使晾衣架能夠自動伸縮的傳動裝置，當(dāng)單片機(jī)接收到指令時(shí)，電機(jī)就會轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)械部分把晾衣架收回及晾出。機(jī)械結(jié)構(gòu)通過UG NX10.0設(shè)計(jì)，由剪叉式伸縮桿、支撐底座、內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，光照傳感器、雨量傳感器、單片機(jī)和三個(gè)直流電機(jī)均設(shè)置在機(jī)械箱內(nèi)。機(jī)械結(jié)構(gòu)3D示意圖如圖14所示。

在機(jī)械箱的一個(gè)側(cè)面設(shè)置凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置一個(gè)滑槽，剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)通過螺栓連接在滑槽內(nèi)，機(jī)械箱內(nèi)設(shè)置有滑塊、螺紋桿和直流電機(jī)，通過直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動螺紋桿轉(zhuǎn)動，從而帶動與滑塊連接的剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)橫向伸縮。在晾衣架外部設(shè)有傳感器，當(dāng)光照傳感器讀取到的光照強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行晾衣指令，即發(fā)出指令使三個(gè)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動剪叉式升降結(jié)構(gòu)從下部滑軌和上部滑軌組成的長方體結(jié)構(gòu)中伸展開，另一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)伸出從而使整個(gè)晾衣架伸展開，達(dá)到晾衣的目的。當(dāng)雨量傳感器獲取的雨量值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行收衣指令，即發(fā)出指令使三個(gè)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動剪叉式升降結(jié)構(gòu)收縮回下部滑軌和上部滑軌組成的長方體結(jié)構(gòu)中，另一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)收縮回機(jī)械箱中，從而使整個(gè)晾衣架收縮，達(dá)到收衣的目的。

3.5 安卓App設(shè)計(jì)部分

為了加強(qiáng)該智能晾衣架的可操作性，我們給系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手機(jī)App，近距離時(shí)，用戶可通過App對系統(tǒng)進(jìn)行控制。App基于Android 4.0系統(tǒng)，采用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境，借助Eclipse平臺，在Layout文件中采用相對布局的方式設(shè)計(jì)完成軟件界面。界面內(nèi)容如圖15所示。用戶通過輸入用戶名和密碼登錄后，可以選擇功能，調(diào)整參數(shù)設(shè)置以對感應(yīng)的光照強(qiáng)度值進(jìn)行調(diào)整，設(shè)備管理可對系統(tǒng)進(jìn)行開機(jī)和關(guān)機(jī)控制，操作指南對系統(tǒng)的使用進(jìn)行說明?？刂平缑娣譃樗{(lán)牙和SIM900A兩部分，打開藍(lán)牙后，用戶可通過藍(lán)牙對系統(tǒng)進(jìn)行近距離控制；進(jìn)入SIM900A后，用戶可通過發(fā)送短信的方式對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。此外，還可以通過按返回按鈕回到初始界面繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行操作。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有傳統(tǒng)晾衣架，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的智能晾衣架，通過判斷光照強(qiáng)度和雨量大小對電機(jī)進(jìn)行控制，從而帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作以達(dá)到晾曬衣物的目的。此外，可通過手機(jī)連接藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在未來的工作中，我們將繼續(xù)對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并增加WiFi控制等功能，以使我們的系統(tǒng)更加完善，便于使用。

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