基于物聯(lián)網(wǎng)的可升降鞋柜設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李成鳳，況春華，張陽(yáng)偉，唐 珊

隨著智能家具概念的提出，家居電器智能化、人性化、便捷化已成為國(guó)內(nèi)外家具行業(yè)興起的新指標(biāo)，智能鞋柜作為智能家具大家族的一員，其設(shè)計(jì)與研發(fā)已逐漸成為市場(chǎng)所趨.然而，盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些具備殺菌除臭、防霉祛濕等基本功能的智能鞋柜［1］，但現(xiàn)有的智能鞋柜產(chǎn)品仍存在一些需要解決的問(wèn)題：①鞋柜功能單一.目前的多功能鞋柜一般只能對(duì)鞋進(jìn)行殺菌、除臭及烘干等操作［2-8］，其功能仍相對(duì)單一，不能滿足實(shí)際需求.②無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.智能鞋柜系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，與PC 或手機(jī)客戶端無(wú)數(shù)據(jù)交互，無(wú)法遠(yuǎn)程控制和查看鞋柜狀態(tài)信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制［9-11］.③操作過(guò)程繁瑣.多功能鞋柜與一般的儲(chǔ)存用鞋柜分離，對(duì)鞋進(jìn)行處理時(shí)，須先將鞋從儲(chǔ)存柜中取出，然后放入多功能鞋柜，待鞋處理完畢后再將鞋放入儲(chǔ)存柜，其過(guò)程繁瑣，增加了鞋的存放和保養(yǎng)的難度.④查找困難、存取不便［12-13］.為增大鞋柜容量、提高空間利用率，通常會(huì)將鞋柜做得很高，以實(shí)現(xiàn)將更多的鞋子存放在同一個(gè)鞋柜內(nèi)，但要在存儲(chǔ)鞋子數(shù)量較多的鞋柜中查找所需的鞋子卻比較困難，而且過(guò)高的鞋柜也不方便存取鞋子.

本文結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造和智能家居模式設(shè)計(jì)出一種容量大，結(jié)構(gòu)合理，并且具有自動(dòng)輸送鞋子功能以及鞋子養(yǎng)護(hù)功能的新型鞋柜.

1 鞋柜總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能升降鞋柜的解決方案，依托手機(jī)端的APP 遠(yuǎn)程操作，控制鞋柜內(nèi)鞋架自動(dòng)升降，實(shí)現(xiàn)指定選取.智能鞋柜升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由鞋柜終端和遠(yuǎn)程控制端兩部分組成，其中，鞋柜終端以STM32 核心處理器為控制器，通過(guò)傳感器的信息采集、處理器的處理、驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)，以及垂直機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)，達(dá)到鞋盒自動(dòng)的垂直循環(huán)移動(dòng)、出鞋、殺菌除臭、烘干、報(bào)警及語(yǔ)音提示等功能；受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)啟發(fā)，遠(yuǎn)程控制端主要運(yùn)用智能手機(jī)安卓APP 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用藍(lán)牙技術(shù)與終端連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.APP 與立體垂直循環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合改變了人們傳統(tǒng)的儲(chǔ)物理念，解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)存方式存在的空間浪費(fèi)問(wèn)題，同時(shí)也避免了存取過(guò)程的繁瑣操作，其設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示.

圖1 模塊設(shè)計(jì)框圖

2 鞋柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，針對(duì)鞋柜空間資源浪費(fèi)嚴(yán)重、鞋子擺放雜亂的問(wèn)題，采用德國(guó)立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)思想［14-16］進(jìn)行鞋柜的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)立體垂直循環(huán)存儲(chǔ)，從而提高鞋柜內(nèi)空間利用率，方便用戶存取.鞋柜終端整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示.從圖2 中可以看出，在牽引件鏈條上，每隔一段距離安裝一個(gè)鞋盒，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鞋盒可以隨鏈條一起做垂直循環(huán)運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)最短路徑運(yùn)動(dòng)到出鞋口自動(dòng)出鞋.其次，針對(duì)鞋柜存在的易發(fā)霉、滋生細(xì)菌等健康隱患問(wèn)題，在鞋柜的中部及四角安裝溫濕度、氣體傳感器檢測(cè)模塊，在鞋柜的頂部安裝殺菌除臭、祛濕防霉模塊，各個(gè)模塊在安裝于鞋柜底部的處理器的控制下，能夠有效響應(yīng)用戶指令，并對(duì)鞋柜整體環(huán)境進(jìn)行調(diào)控.

圖2 終端整體結(jié)構(gòu)

3 鞋柜終端軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 鞋柜終端硬件設(shè)計(jì)

受室內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響，鞋柜環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，鞋柜終端需要使用各傳感器模塊對(duì)環(huán)境的溫濕度、污染氣體濃度進(jìn)行采集，利用各執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)殺菌除臭、防潮除濕及顯示功能，并用通信模塊實(shí)現(xiàn)鞋柜終端與APP 客戶端的通信.整體的硬件電路圖如圖3 所示.

圖3 整體硬件電路

①溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊.系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)鞋柜內(nèi)溫度的采集，監(jiān)控鞋柜內(nèi)環(huán)境溫度為15～25 ℃、濕度低于60%，能夠有效抑制霉菌生長(zhǎng)，且在天涼時(shí)人們穿鞋也更舒服.②殺菌除臭模塊.鞋柜定時(shí)開(kāi)啟紫外線臭氧燈，穿透鞋中細(xì)菌的細(xì)胞膜，破環(huán)其DNA 等遺傳物質(zhì)，使其不能生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而達(dá)到殺菌的效果.③防潮除濕模塊.鞋柜中安裝的電熱絲和風(fēng)扇與處理器、溫濕度傳感器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將鞋柜的整體環(huán)境的溫濕度穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi).④終端顯示模塊.鞋柜終端采用OLED 屏顯示鞋柜環(huán)境數(shù)據(jù)信息及儲(chǔ)存情況，通過(guò)IIC 總線與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，便于使用者了解鞋柜內(nèi)狀態(tài).⑤通信模塊.由于整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大且對(duì)數(shù)據(jù)保真要求高，通信模塊選用傳送數(shù)據(jù)快且丟包率低的HC-05 藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)鞋柜終端與用戶端的數(shù)據(jù)交互.

3.2 鞋柜終端軟件設(shè)計(jì)

鞋柜終端的主流程設(shè)計(jì)如圖4 所示.鞋柜終端上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，中心處理器處于命令等候狀態(tài)，用戶指令優(yōu)先處理，判斷手機(jī)APP 是否有命令請(qǐng)求，若有則進(jìn)行命令響應(yīng)，例如若接到用戶端通過(guò)APP 發(fā)來(lái)選取鞋子的命令，系統(tǒng)則立即停止保持環(huán)境狀態(tài)穩(wěn)定功能，并立即解析出所選定鞋的確定位置，通過(guò)內(nèi)部數(shù)學(xué)運(yùn)算得出升降的最短距離，并依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角，利用處理器發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，結(jié)合齒輪鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鞋盒分區(qū)的精確循環(huán)移動(dòng)，從而將指定鞋盒移動(dòng)到出口處.若沒(méi)有命令請(qǐng)求，則檢測(cè)鞋柜內(nèi)是否有鞋，若否，則返回等待命令，若是，則檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)是否正常，若正常則關(guān)閉相應(yīng)功能模塊，OLED 屏顯示相應(yīng)信息，否則將運(yùn)行相應(yīng)功能模塊后繼續(xù)檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)是否正常.因室內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定，鞋柜終端需實(shí)時(shí)檢測(cè)鞋柜內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量等指標(biāo)，連續(xù)檢測(cè)得到20 組數(shù)據(jù)，每次檢測(cè)間隔3 s.處理器將20 組數(shù)據(jù)的平均值與用戶設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，并做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，使鞋柜環(huán)境保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 主流程圖

按照上述設(shè)計(jì)思想完成了帶有6 個(gè)鞋盒的立體升降鞋柜，實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示.

圖5 鞋柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 用戶端手機(jī)APP 設(shè)計(jì)及測(cè)試

用戶通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 與鞋柜終端的連接后，鞋柜終端中鞋子的相關(guān)信息將自動(dòng)更新到APP 數(shù)據(jù)庫(kù)中.為了方便用戶的使用，用戶打開(kāi)APP 登錄后，在APP 的主功能界面顯示來(lái)自服務(wù)器的鞋柜分區(qū)狀態(tài)信息.用戶存鞋時(shí)，鞋柜終端通過(guò)藍(lán)牙模塊接收用戶端的存鞋命令請(qǐng)求，利用主控板內(nèi)置算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選擇最短路徑自動(dòng)將空鞋盒運(yùn)送到放鞋口，待鞋子放入后將鞋盒空滿狀態(tài)存入flash 數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)用戶將相冊(cè)中相應(yīng)鞋的照片上傳至APP.取鞋時(shí)，用戶通過(guò)APP的圖片瀏覽界面瀏覽所存鞋的信息進(jìn)行選鞋，系統(tǒng)選擇最短的路徑自動(dòng)將對(duì)應(yīng)鞋盒運(yùn)送到出鞋口，并更新數(shù)據(jù)庫(kù).

按照上述設(shè)計(jì)思想，所設(shè)計(jì)的手機(jī)APP主界面如圖6 所示，選擇家用存取即可進(jìn)入鞋柜管理員登錄界面，如圖7 所示.

登錄成功進(jìn)入鞋柜信息顯示界面如圖8所示，顯示了鞋盒總數(shù)6、空盒數(shù)及滿盒數(shù).圖9 為通過(guò)圖片瀏覽進(jìn)行存取鞋的界面，當(dāng)前顯示第一個(gè)鞋盒中的鞋照片，若要存取鞋單擊打開(kāi)按鈕，從照片右下角看出該鞋已被成功取出，若要上傳相應(yīng)鞋的照片則單擊編輯按鈕，即進(jìn)入圖10 所示的照片上傳界面.

圖6 手機(jī)APP 主界面

圖7 管理員登錄界面

圖8 手機(jī)APP 鞋柜信息顯示界面

圖9 手機(jī)APP 存取鞋界面

圖10 上傳照片界面

另外，采用單一變量原則分別對(duì)智能可升降鞋柜的除濕、除臭功能、存取鞋時(shí)間進(jìn)行測(cè)試：鞋柜在上電4～8 min 內(nèi)環(huán)境溫濕度及臭味氣體濃度穩(wěn)定在合適范圍內(nèi)；與傳統(tǒng)鞋柜存取鞋相比，利用APP 和鞋柜終端完成存取鞋所用時(shí)間明顯減少，存取鞋更為方便.

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)手機(jī)APP 控制的自動(dòng)升降智能鞋柜，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程選鞋、自動(dòng)出鞋、快捷存鞋、殺菌除臭、除濕防霉、自動(dòng)報(bào)警和語(yǔ)音提示等功能，有效解決了傳統(tǒng)鞋柜取鞋不方便、存儲(chǔ)容量小的問(wèn)題，并且改善了鞋柜內(nèi)的存儲(chǔ)環(huán)境.