基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防雨晾衣架設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張立勇 ， 王文軍

（荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020）

1 設(shè)計(jì)背景

晾衣架在人們的生活中被廣泛使用，目前市場(chǎng)上很多晾衣架都是安裝在室內(nèi)陽(yáng)臺(tái)上，由于空間內(nèi)部相對(duì)密閉、通風(fēng)效果差、采光不足，導(dǎo)致衣物晾曬效果不佳[1-3]。雖然有部分廠家生產(chǎn)的晾衣架可以安裝在室外，但是遇到下雨天氣，若無(wú)法及時(shí)收納衣服會(huì)導(dǎo)致淋濕?；诖耍芯啃〗M設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防雨晾衣架裝置系統(tǒng)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該款智能防雨晾衣架結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示，主要包括U形滑軌晾衣架和伸縮式防雨篷。其中U形滑軌晾衣架主要起收放和晾曬衣服的作用，伸縮防雨篷主要起防雨防淋濕的作用。當(dāng)晾曬衣物時(shí)，防雨篷為收縮閉合狀態(tài)，且掛鉤聚攏回縮在滑軌兩端，用戶只需將衣物依次掛在U形架兩端的晾衣掛鉤上，通過(guò)遙控或手機(jī)APP控制晾衣掛鉤運(yùn)動(dòng)，即可使衣物均勻分布在晾衣架上。收取衣物時(shí)，通過(guò)遙控或手機(jī)APP讓晾曬好的衣物依次回收到U形架兩端起始位，便可取下衣物。在衣物晾曬的過(guò)程中，如果遇到下雨而來(lái)不及收取衣物時(shí)，通過(guò)雨滴傳感器可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)防雨篷打開(kāi)，防止衣物被淋濕。當(dāng)不下雨時(shí)，防雨篷縮回，繼續(xù)晾曬。該裝置實(shí)物模型如圖2所示。

圖1 智能防雨晾衣架三維模型

圖2 智能防雨晾衣架裝置

3 電氣設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)原理

智能防雨晾衣裝置系統(tǒng)原理如圖3所示，該系統(tǒng)包括兩種運(yùn)行模式，即手動(dòng)模式和自動(dòng)模式[4]。手動(dòng)模式狀態(tài)下，防雨篷可通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)控制防雨篷的打開(kāi)和閉合，按下打開(kāi)按鈕時(shí)，防雨篷打開(kāi)伸展，實(shí)現(xiàn)防雨功能。按下閉合按鈕時(shí)，或者通過(guò)手機(jī)APP按鈕，防雨篷閉合收縮。當(dāng)需要晾曬衣物時(shí)，按下展開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)，或者通過(guò)手機(jī)APP，使U形滑軌中的掛鉤展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)晾衣功能。按下縮回按鈕時(shí)，U形滑軌中的掛鉤縮回，實(shí)現(xiàn)收衣功能。自動(dòng)模式狀態(tài)下，由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集雨滴傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)采集到的模擬數(shù)值與預(yù)設(shè)標(biāo)定模擬值進(jìn)行比對(duì)判斷，當(dāng)模擬數(shù)值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)防雨篷電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而打開(kāi)防雨篷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防雨功能。當(dāng)模擬數(shù)值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)防雨篷電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而收縮防雨篷，實(shí)現(xiàn)晾曬功能。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

3.2 系統(tǒng)組成及硬件連接

智能晾衣架系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程通信、環(huán)境感知、控制系統(tǒng)、機(jī)械控制四部分組成[5-7]，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

1）遠(yuǎn)程通信主要由WiFi通信、手機(jī)APP、按鍵控制組成，利用手機(jī)對(duì)ESP8266模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置[8-9]，進(jìn)而可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制或按鍵遙控控制晾衣架。

2）環(huán)境感知系統(tǒng)由雨量傳感器實(shí)現(xiàn)，可讀取外界雨量大小，然后將模擬信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防雨篷的自動(dòng)打開(kāi)和閉合。

3）控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，主控芯片采用 STC89C52RC 單片機(jī)，對(duì)接收到的傳感器信號(hào)進(jìn)行判斷比較，從而控制物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)的閉合。

4）機(jī)械控制部分主要由U形滑軌電機(jī)和防雨篷電機(jī)組成，U形滑軌電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)滑軌上晾衣掛鉤的縮回和展開(kāi)，防雨篷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)防雨篷的打開(kāi)和關(guān)閉。

晾衣架控制系統(tǒng)電路硬件模塊連接如圖5所示，主要由八路繼電器、M4物聯(lián)網(wǎng)模塊、單片機(jī)、電源線、雨水傳感器等硬件組成。系統(tǒng)工作時(shí)，雨量傳感器實(shí)時(shí)采集雨量數(shù)據(jù)，采集到的模擬信號(hào)將傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)與標(biāo)定值進(jìn)行比較，根據(jù)判斷邏輯控制對(duì)應(yīng)繼電器的開(kāi)閉，進(jìn)而控制防雨篷電機(jī)和滑軌電機(jī)的正反轉(zhuǎn)[10]。

圖5 控制系統(tǒng)電路硬件模塊連接

3.3 軟件設(shè)置

參照晾衣架智能防雨系統(tǒng)原理框圖，在手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)APP界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和模式管理，在物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)設(shè)定好的智能防雨晾衣系統(tǒng)界面如圖6所示。該界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控雨滴傳感器AINO的信號(hào)值。

圖6 手機(jī)APP界面圖

4 試驗(yàn)

4.1 淋雨試驗(yàn)

為了驗(yàn)證晾衣架智能防雨系統(tǒng)方案的可行性，在室內(nèi)利用噴水壺定點(diǎn)噴射傳感器進(jìn)行淋雨模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)材料和噴水試驗(yàn)效果如圖7所示，雨滴傳感器安裝位置與水平夾角為45°，試驗(yàn)過(guò)程中，每秒用噴壺向傳感器定向噴射1次，連續(xù)噴射1分鐘，然后停止噴射，靜置5分鐘后再次噴射，查看傳感器反饋的信號(hào)曲線圖，并觀察雨篷打開(kāi)狀態(tài)。按照上述步驟重復(fù)進(jìn)行6次測(cè)試，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)反饋的雨滴傳感器信號(hào)曲線圖如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)材料和噴水試驗(yàn)效果

圖8 雨滴傳感器信號(hào)曲線圖

參考雨滴傳感器信號(hào)曲線圖8，將每次淋雨測(cè)試時(shí)雨滴傳感器反饋的模擬量的最大值和最小值進(jìn)行記錄，當(dāng)防雨篷處于圖9（a）和圖9（b）時(shí)，則分別判定防雨篷為打開(kāi)狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，得到雨滴傳感器數(shù)據(jù)表，如表1所示。

圖9 防雨篷狀態(tài)圖

表1 雨滴傳感器數(shù)據(jù)表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖8和表1分析可知，連續(xù)噴水時(shí)，雨滴傳感器檢測(cè)到雨滴，其檢測(cè)數(shù)據(jù)模擬量傳感器立刻發(fā)生變化，模擬量數(shù)值不斷降低，從初始255降低至90以下，繼續(xù)噴水時(shí)，其數(shù)值不再發(fā)生較大變化，且防雨篷打開(kāi)。當(dāng)停止噴水時(shí)，雨滴傳感器數(shù)值緩慢回升，且回升數(shù)模擬量最大值不超過(guò)180，此時(shí)防雨篷收回。當(dāng)繼續(xù)向傳感器噴水時(shí)，其模擬量數(shù)值繼續(xù)下降，通過(guò)6次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雨滴傳感器檢測(cè)到水滴時(shí)，其模擬量最小值低于90以下，模擬量最大值不高于180，但是隨著時(shí)間延長(zhǎng)，雨滴傳感器上的水逐漸蒸發(fā)以后，其模擬量會(huì)達(dá)到220以上。因此，防雨篷自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉的邏輯判斷條件為：防雨篷打開(kāi)時(shí)，雨滴傳感器模擬量通道數(shù)值A(chǔ)INO<90；防雨篷關(guān)閉時(shí)，雨滴傳感器模擬量通道數(shù)值A(chǔ)INO>180。

5 結(jié)論

1）晾衣架的防雨篷遇水能自動(dòng)打開(kāi)和回縮，驗(yàn)證了基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能防雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

2）該裝置淋雨試驗(yàn)結(jié)果表明，防雨篷自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉的邏輯判斷條件為：防雨篷打開(kāi)時(shí)，雨滴傳感器目標(biāo)參數(shù)值A(chǔ)INO<90，防雨篷關(guān)閉時(shí)，雨滴傳感器目標(biāo)參數(shù)值A(chǔ)INO>180。

3）該裝置解決了戶外晾曬淋雨的問(wèn)題。下雨時(shí)，通過(guò)雨滴傳感器檢測(cè)到雨水，控制防雨篷自動(dòng)打開(kāi)，避免衣物淋濕?；谖锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)室外下雨時(shí)，由于工作來(lái)不及收納衣物時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制防雨篷的打開(kāi)和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)防雨的功能。通過(guò)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該裝置的實(shí)用性。