物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的新型智能晾衣架

張鈴 廖藝灼 黃焱

（重慶西南大學(xué) 重慶市 400715）

在這個(gè)快節(jié)奏的電子時(shí)代，人們的時(shí)間觀念逐漸加強(qiáng)，日程安排也日益緊密，越來越多的人開始追求更加快捷、更加智能的生活方式。因此，智能家居產(chǎn)品在這幾年如同雨后春筍般呈現(xiàn)指數(shù)式的增長，并逐漸走入人們的日常生活中。而作為每個(gè)家庭家居必需品的晾衣架，其基本作用無非是晾曬衣物被褥等，但傳統(tǒng)的晾衣架必須手動(dòng)去拉動(dòng)，每天早開晚關(guān)十分麻煩，而目前市場上的自動(dòng)晾衣架也只能提供垂直升降操作。為提供舒適、便捷、時(shí)尚的生活環(huán)境，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能晾衣架可根據(jù)天氣情況實(shí)現(xiàn)智能曬衣服和收衣服的自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)跟蹤太陽，使衣服能得到充分晾曬。其中相關(guān)傳感器可檢測衣服的干濕程度從而實(shí)現(xiàn)控制衣服的收回，防止暴曬；除此之外用戶還可以通過遙控器，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鍵來控制晾衣架的升降和工作狀態(tài)或者利用手機(jī)上對應(yīng)APP 實(shí)現(xiàn)與該晾衣架的通信來完成上述功能?？紤]到用戶可能不在家的情況，該晾衣架還搭配了在自動(dòng)模式下可以自行根據(jù)周圍環(huán)境濕度、光線強(qiáng)度以及雷雨等情況進(jìn)行自動(dòng)伸收的功能。為了保證用戶對安全性的追求，該自動(dòng)晾衣架還將帶有利用電阻應(yīng)變片而制成的超重檢測模塊。軟件部分則采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了對晾衣架自動(dòng)伸收控制、超重報(bào)警以及追蹤太陽等功能。

1 系統(tǒng)控制原理

按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，該晾衣架大致可分成單片機(jī)最小系統(tǒng)，太陽實(shí)時(shí)追蹤，通訊模塊，光照強(qiáng)度、溫濕度傳感器檢測模塊，外界環(huán)境雨滴檢測模塊，衣服干濕狀態(tài)檢測，電機(jī)控制執(zhí)行部分和限位開關(guān)組成。晾衣架的控制裝置主要以單片機(jī)AT89C51為控制核心。為實(shí)現(xiàn)超重檢測，我們采用電阻應(yīng)變片組成的超重檢測電路；另外，為了實(shí)現(xiàn)晾衣架機(jī)械自動(dòng)的升降功能，對應(yīng)遙控控制方式，我們將通過手動(dòng)按鍵發(fā)出對應(yīng)遙控信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而帶動(dòng)對應(yīng)直流電機(jī)的正或者反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)晾衣架的升降，而對于其中的無線發(fā)送接收模塊，我們將采用編碼解碼芯片，例如SC2262/SC2272，然后通過SC2272 編碼解碼對應(yīng)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的控制，最后利用單片機(jī)來控制繼電器的吸或者和從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)晾衣架的開或者合。為了防止晾衣架過卷，在這里，我們還將使用行程開關(guān)來對晾衣架的位置進(jìn)行檢測。為了顯示晾衣架的工作狀態(tài)，在此我們將采用發(fā)光二極管電路，例如紅燈亮?xí)r說明晾衣架處于自動(dòng)模式，即：天亮?xí)r自動(dòng)打開晾衣架，天黑時(shí)自動(dòng)關(guān)閉晾衣架；藍(lán)燈亮?xí)r強(qiáng)行使系統(tǒng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，使晾衣架伸出，黃燈亮?xí)r強(qiáng)行使電機(jī)反轉(zhuǎn)，使晾衣架收回，而當(dāng)晾衣架碰觸到行程開關(guān)時(shí)，使相應(yīng)的指示燈閃爍幾下，同時(shí)使晾衣架的電動(dòng)機(jī)停止。另外，為了踐行安全放心的原則，我們還將設(shè)計(jì)報(bào)警電路，為防止電流異常產(chǎn)生火災(zāi)等情況，晾衣架中對應(yīng)的電流采樣及轉(zhuǎn)換電路對電路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到過流保護(hù)功能，當(dāng)產(chǎn)生過流或超重現(xiàn)象時(shí)晾衣架及時(shí)聲光報(bào)警，從而防止意外發(fā)生；隨著太陽能的廣泛利用，為了提高對太陽的利用率，我們還考慮將雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)與晾衣架結(jié)合，使晾衣架能夠?qū)崟r(shí)跟蹤太陽，從而使所晾曬的衣服都能夠得到充分的晾曬。對于晾衣架設(shè)計(jì)的軟件部分，我們主要采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，并且編制了各個(gè)模塊的流程圖，實(shí)現(xiàn)了對晾衣架自動(dòng)伸收控制、超重報(bào)警以及追蹤太陽等功能。在智能晾衣收衣的功能上，該晾衣桿還增加了用戶手機(jī)小程序控制和遙控器控制，從而實(shí)現(xiàn)了在短程距離里，用戶也可以通過手機(jī)app 來實(shí)現(xiàn)對晾衣架運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

圖1：復(fù)位電路

圖2：正反轉(zhuǎn)控制電路

2 智能晾衣架系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

主控芯片：由于C51 單片機(jī)的廣泛使用以及較為成熟的理論系統(tǒng)，在這個(gè)智能晾衣架的設(shè)計(jì)中我們將采用STC89C51 為主控芯片。下面我們將闡述其外圍電路的設(shè)計(jì)，首先是時(shí)鐘電路：由于C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器來構(gòu)成振蕩器，所以在本設(shè)計(jì)中我們將采用6MHz 的晶振。復(fù)位電路：據(jù)相關(guān)資料可知，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作，單片機(jī)最小系統(tǒng)經(jīng)常采用上電自動(dòng)復(fù)位或者手動(dòng)按鍵復(fù)位這兩種復(fù)位方式，其中對于上電復(fù)位而言，一般要求當(dāng)接通電源后單片機(jī)最小系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作；而對于手動(dòng)復(fù)位而言，則要求電源接通時(shí)，能夠使在運(yùn)行期間單片機(jī)可以用按鈕開關(guān)這類操作使其復(fù)位。對于本篇文章中的單片機(jī)而言，考慮到可實(shí)用性及盡可能的降低成本，我們將采用按鍵設(shè)計(jì)的方式，且本系統(tǒng)將采用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵。復(fù)位電路如圖1 所示。

2.2 通信系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本晾衣架的通信方式主要包括手動(dòng)遙控和用戶手機(jī)小程序控制這兩種方式。下面，我們將分別針對這兩種控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。遙控的電路設(shè)計(jì)：該晾衣架系統(tǒng)將采用sc2262 和sc2272 來進(jìn)行遙控和接收，其中我們將會(huì)使用12V 電池對遙控器部分進(jìn)行供電，只有當(dāng)用戶按下按鍵后，發(fā)射模塊的電源端才會(huì)被連通從而發(fā)出信號(hào)。Wi-Fi 控制設(shè)計(jì)：該晾衣架系統(tǒng)利用ESP8266-12 芯片實(shí)現(xiàn)將用戶的物理設(shè)備（例如手機(jī)、ipad 等）連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，使得晾衣架與用戶的物理設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的通信。不管是采用遙控控制還是利用用戶物理設(shè)備進(jìn)行控制，用戶都可以實(shí)現(xiàn)對晾衣架工作模式的控制，即自動(dòng)或者是手動(dòng)模式；除此之外，用戶還可以自行設(shè)置晾衣架的伸縮升降狀態(tài)，以使用戶可以方便的控制晾衣架的狀態(tài)。

2.3 定時(shí)收衣及自動(dòng)檢濕狀態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)晾衣架能夠根據(jù)天氣狀態(tài)自行進(jìn)行定時(shí)收衣、晾曬衣服的功能，該晾衣架可自行感知光線以及檢測溫濕狀態(tài)的功能。所以在此我們將對系統(tǒng)的光線檢測模塊、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊以及濕度檢測模塊進(jìn)行介紹。首先是感知光線檢測模塊：該晾衣架的自動(dòng)模式是當(dāng)天黑時(shí)即光線較暗時(shí)能夠自動(dòng)閉合晾衣架，收回衣物，而當(dāng)天亮即光線較亮?xí)r能夠自動(dòng)拉開晾衣架，晾曬衣物，從而我們想到利用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境光線的檢測，然后將信息反饋到單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)化。除了檢測外界環(huán)境光線情況之外，我們還需要感知外界環(huán)境是否下雨或者其他不利于衣服晾曬的天氣，據(jù)此我們想到使用濕度檢測模塊，在此我們直接采用DHT11溫濕度傳感器。感知對應(yīng)天氣狀況后還需實(shí)現(xiàn)直接控制晾衣架的升降，對于晾衣架的結(jié)構(gòu)上，晾衣架的主體框架兩側(cè)將設(shè)置對應(yīng)的滑軌以減小摩擦從而節(jié)省能源開支并延長晾衣架的壽命，對應(yīng)晾衣桿兩端將設(shè)置滑輪并將其支承在主體框架上，然后使用強(qiáng)度較大的繩子與可滑動(dòng)的晾衣桿連接，帶動(dòng)它在滑軌上滑動(dòng)。在通過編程使得單片機(jī)直接控制兩個(gè)繼電器的吸和狀態(tài)然后對直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制，讓電機(jī)直接帶動(dòng)牽引繩從而拉動(dòng)滑動(dòng)晾衣桿，實(shí)現(xiàn)晾衣架的升降狀態(tài)。正反轉(zhuǎn)控制電路如圖2 所示。

2.4 安全報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

眾所周知，隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對于安全的意識(shí)越來越重，對于本晾衣架我們也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的安全檢查模塊對晾衣架的狀態(tài)進(jìn)行檢察。首先由于晾衣架要伸出窗戶，所以我們首先考慮到的是高空墜物的問題，也就是說我們要對晾衣架所晾曬的衣物進(jìn)行嚴(yán)格的管控，據(jù)此我們設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)對晾衣架衣物重量進(jìn)行檢測并當(dāng)發(fā)生超重時(shí)可及時(shí)報(bào)警通知的電路，該電路模塊中我們主要使用可電阻應(yīng)變式傳感器，當(dāng)用戶晾曬衣物時(shí)，稱重傳感器上所承受的重力將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致稱重傳感器的內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化，最終導(dǎo)致輸出的電壓發(fā)生變化，然后將其電壓變化輸送到聲光報(bào)警電路放出警告，告訴用戶衣物懸掛過多無法工作。其中聲光報(bào)警電路內(nèi)部主要包括信號(hào)產(chǎn)生、放大電路和聲光報(bào)警電路。

2.5 附加功能設(shè)計(jì)

對于晾衣架這種電器，由于晾曬衣物的功能，據(jù)此我們還考慮到對衣物進(jìn)行消毒和自動(dòng)進(jìn)行烘干的功能，從而實(shí)現(xiàn)用戶對高品質(zhì)生活追求的目標(biāo)。消毒主要包括紫外線照射消毒以及臭氧消毒這兩種方式。對于紫外線消毒這種方式，由于常用的低壓汞蒸氣燈主要是產(chǎn)生254nm和185nm的紫外線，所以在智能晾衣架的殺菌裝置中，我們將使用254nm 波長的紫外線。而對于臭氧殺菌的方式，我們同樣通過汞蒸氣來產(chǎn)生波長為185nm 的紫外線，從而將外界空氣中的 氧氣變成臭氧。當(dāng)外界天氣條件不好或者用戶急需所曬衣物時(shí)，該晾衣架還需提供烘干的功能，該智能晾衣架的烘干功能基于獨(dú)創(chuàng)風(fēng)道設(shè)計(jì)、多口徑出風(fēng)，全面優(yōu)化風(fēng)導(dǎo)向，風(fēng)效提升60%；持續(xù)、恒溫暖風(fēng)，晾曬同時(shí)有效烘干，拒絕靠天晾衣。

圖3：后臺(tái)功能圖

圖4：2TCP 協(xié)議

2.6 雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)

為了使衣物得到充分的晾曬，其中唯一的辦法就是要使衣物能夠盡可能多的接觸到太陽光，也就是極大可能的利用太陽光。據(jù)此我們想到利用雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)使晾衣架能夠自動(dòng)跟蹤太陽使衣物得到充分的晾曬。只要我們事先按預(yù)定的位置調(diào)整太陽能電池板的朝向，即使是在天氣變化較為復(fù)雜且無人看管的情況下，該晾衣架可跟蹤太陽，從而提高了對太陽的利用率，加大了對衣物的晾曬。

以雙軸跟蹤為基礎(chǔ)的傳感器雙軸跟蹤已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對于該部分系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，我們主要分為三個(gè)部分，即傳感器模塊、控制模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。對于傳感器模塊內(nèi)部主要包括硅光電池、采樣電路以及能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)以供單片機(jī)采集的裝置?？刂颇K中單片機(jī)可以通過ADC 模塊來讀取采樣電路的電壓值，然后使用PID 算法計(jì)算出晾衣架正面偏離太陽的角度，根據(jù)所計(jì)算出來的角度輸出相應(yīng)占空比的PWM 信號(hào)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路從而實(shí)現(xiàn)對太陽方位的精確追蹤。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以根據(jù)所輸入的不同占空比的PWM 信號(hào)來控制相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)對太陽角度的平穩(wěn)跟蹤。

3 智能晾衣架系統(tǒng)軟件部分

3.1 程序語言選擇

在對單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)中，我們主要考慮到C 語言以及匯編語言這兩種編寫方式。其中C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的編程語言，由于其方便、容易掌握的語言特色，現(xiàn)如今已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，成為了目前單片機(jī)編程中應(yīng)用最多的語言之一。同樣地，由于匯編語言具有簡單實(shí)用，控制靈活，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，程序效率高等特點(diǎn)，以及極強(qiáng)的硬件控制能力和用其它高級語言無法控制的軟硬件細(xì)節(jié)也使得它在單片機(jī)編程中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于匯編語言比較繁瑣且較為復(fù)雜，綜合考慮，在軟件的設(shè)計(jì)語言這一部分我們將選擇C 語言。

3.2 小程序開發(fā)設(shè)計(jì)

隨著張小龍發(fā)布的小程序正式上線后，小程序完成了應(yīng)用觸手可及且無需安裝卸載的功能。對于開發(fā)者來說，小程序較于普通APP 設(shè)計(jì)而言難度更低，可以滿足現(xiàn)實(shí)生活中一些便捷的基礎(chǔ)應(yīng)用。而對于用戶而言，小程序更加靈活、便捷，并且不會(huì)占用用戶過多的手機(jī)空間，且無需進(jìn)行安裝，所以更加經(jīng)濟(jì)劃算?；诖耍瑢τ诹酪录艿耐ㄓ?，我們將采用小程序的設(shè)計(jì)方式，圖3 是小程序所需完成的后臺(tái)功能圖。

對于小程序開發(fā)部分，我們主要采用ESP8366 模塊，該模塊可以實(shí)現(xiàn)將用戶的物理設(shè)備（例如手機(jī)、iPad 等）連接到所處Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，然后進(jìn)行晾衣架與互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，從而能夠滿足用戶通過小程序來遠(yuǎn)程控制單片機(jī)的需求。我們采用最常用的TCP 連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)APP 的兩者互聯(lián)。其中TCP 是一種傳輸層協(xié)議，在該協(xié)議中，需要通信的雙方都要遵循TCP 協(xié)議，并且其中任何一方只需得到另外一方的ip 地址和端口號(hào)就能和對方建立起以全雙工通信方式的連接。在ESP8266 模塊中也具備TCP/IP 協(xié)議棧，用戶通過利用該模塊作為客戶端并使用AT 指令向服務(wù)端發(fā)起TCP 連接，然后開啟透傳模式，在該模式中，模塊串口收到的數(shù)據(jù)然后通過TCP 連接并透傳到服務(wù)端，從而完成數(shù)據(jù)從硬件串口通過網(wǎng)絡(luò)到程序進(jìn)程的傳輸，實(shí)現(xiàn)了軟硬結(jié)合。2TCP協(xié)議如圖4 所示。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的穩(wěn)步提升，電子產(chǎn)品逐漸替代傳統(tǒng)非電子產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的主流趨勢。隨著人們生活水平的提高，人們智能化的追求也逐步提高?；诖耍@篇文章我們介紹了一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的新型晾衣架。區(qū)別于其他晾衣架而言，該晾衣架不再是僅僅只對衣物進(jìn)行消毒烘干處理，而且還能夠根據(jù)天氣情況或者用戶需求自動(dòng)伸收晾衣架，從而大大節(jié)約了人們的時(shí)間，更特別的是，本設(shè)計(jì)的晾衣架還結(jié)合了雙軌太陽跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)對太陽的實(shí)時(shí)跟蹤，從而使衣物得到充分的晾曬，使太陽光能夠得到充分的利用。