SmartCeiling智能家居系統(tǒng)

崔育杰，許秋荻，陳治宇

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 研制背景及意義

如今，隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程的推動(dòng)，城區(qū)居住面積建成速度小于人口涌入速度，使得人均住房面積越來越小[1]，傳統(tǒng)面積商品房不再適合人們的經(jīng)濟(jì)需要和實(shí)際住房需求，因此人們對于小戶型房屋空間設(shè)計(jì)有了更加多樣化的訴求[2]。

現(xiàn)代家居設(shè)計(jì)更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”的設(shè)計(jì)思想，注重提高住宅的舒適性、多樣性、適應(yīng)性及空間的利用率。其家居設(shè)計(jì)的好壞將直接影響人們的生活品質(zhì)。與此同時(shí)，智能化、個(gè)性化、多功能化的家居理念逐步得到了大眾的認(rèn)可與喜愛[3]。在現(xiàn)有的裝修設(shè)計(jì)中，為解決儲(chǔ)物難問題，嵌入式的家居設(shè)計(jì)出現(xiàn)在世人眼前，以墻代柜的巧妙構(gòu)思深受人們的歡迎[4]，但這些設(shè)計(jì)均為平面化家居設(shè)計(jì)，立體化家居設(shè)計(jì)尚處于空白。根據(jù)上述背景，本項(xiàng)目從房屋結(jié)構(gòu)的兼容性、用戶的使用體驗(yàn)以及智能技術(shù)的利用3個(gè)方面進(jìn)行展開，設(shè)計(jì)了一套智能化的天花板家居系統(tǒng)。

2 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

項(xiàng)目的創(chuàng)新之處主要有：①智能天花板家居系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，以天花板為載體，充分利用房屋上層空間；②將平面化家居設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw化家居設(shè)計(jì)，構(gòu)成家居設(shè)計(jì)新理念；③促進(jìn)智能家居與用戶的交互，實(shí)現(xiàn)多功能、多模式、個(gè)性化的家居設(shè)計(jì)；④合理機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)家居不同模式和功能的切換，滿足人們多樣化的住宅需求。

3 項(xiàng)目的研究內(nèi)容和研究目標(biāo)

本項(xiàng)目旨在提供一種全自動(dòng)控制智能天花板系統(tǒng)，本項(xiàng)目的研究意義在于：①該系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)理念，將現(xiàn)有的平面化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw化的家居設(shè)計(jì)；②本項(xiàng)目是以天花板為載體，將家居與天花板相契合，打造出多模式、多元化的家居功能；③通過利用目前家居設(shè)計(jì)所忽視房屋上層空間，更進(jìn)一步提升了房屋空間利用率，以此來解決家庭普遍存在的儲(chǔ)物難問題；④本項(xiàng)目結(jié)合智能家居發(fā)展大趨勢，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，自主創(chuàng)新打造智能化的家居系統(tǒng)，非常具有時(shí)代特征和現(xiàn)實(shí)意義。

4 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

智能天花板家居系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制，以天花板為載體，結(jié)合家具的智能升降，實(shí)現(xiàn)立體化家居設(shè)計(jì)，充分利用室內(nèi)的立體空間，解決小面積住戶空間小、儲(chǔ)物難等問題。

未來的智能家居設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以人為本，本方案結(jié)合現(xiàn)有家居布置的特點(diǎn)，從豎直升降、水平翻轉(zhuǎn)2個(gè)維度進(jìn)行思考，最大化利用天花板面積，同時(shí)方便住戶進(jìn)行一系列居家活動(dòng)。智能天花板引入先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家庭智能語音控制、智能燈光控制、停電自鎖、斷電手動(dòng)以及記憶功能等。智能天花板家居系統(tǒng)功能部分示意圖如圖1所示。智能天花板設(shè)計(jì)理念如圖2所示。

4.1 客廳場景模式設(shè)計(jì)

根據(jù)客廳的實(shí)際功能需求，對現(xiàn)有客廳環(huán)境布置進(jìn)行具體分析，客廳設(shè)計(jì)主要包含以下3種模式：客餐廳模式、觀影模式、鞋柜收納。根據(jù)人的實(shí)際需要使空間得到立體化應(yīng)用。

4.1.1 鞋柜收納

無需使用時(shí)，鞋柜呈水平狀態(tài)嵌于天花板內(nèi)；使用時(shí)，通過平面導(dǎo)向連桿的配合，使得鞋柜翻轉(zhuǎn)下降，鞋柜下降到適宜的高度，同時(shí)柜門由向上轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚯埃奖闳诉M(jìn)行存取動(dòng)作。存取完成后，鞋柜升至天花板儲(chǔ)藏，不占用地面空間。

鞋柜相鄰柜格之間間距較短，一般為鞋體高度，鞋柜90°翻轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部所儲(chǔ)存的鞋體基本不會(huì)出現(xiàn)翻倒情況，保障人的正常使用。

4.1.2 健身模式

客廳主體為放置于中央的茶幾，平時(shí)茶幾可用于放置茶杯、果盤等日常用品，也讓客廳裝修整體更加和諧。但茶幾占據(jù)了客廳較大一部分地面空間，限制了人們的活動(dòng)。

本裝置利用可自動(dòng)脫合的升降帶將茶幾升至天花板上，下方空間可鋪上瑜伽墊，或者直接利用地毯進(jìn)行健身等日常活動(dòng)；另外，茶幾上升后，可為孩子們提供一個(gè)更寬敞、更安全的休閑娛樂空間。

4.1.3 客餐廳模式

利用可自動(dòng)脫合的升降帶將茶幾重新放置于地板上，茶幾采用市面常見的多功能升降茶幾，自身可在茶幾及餐桌狀態(tài)進(jìn)行切換，快速實(shí)現(xiàn)客廳餐廳轉(zhuǎn)換。為小面積住戶提供極大的方便。

4.1.4 觀影模式

無需使用時(shí)，電視機(jī)或投影屏嵌于天花板內(nèi)；開啟后，通過平面連桿機(jī)構(gòu)及直線電機(jī)分別控制電視機(jī)或投影屏的角度及高度，提升觀影舒適度，同時(shí)天花板上安裝的音響裝置暴露出來。繁重的家庭影音設(shè)備安裝于天花板上，充分節(jié)省了室內(nèi)空間，且住戶可根據(jù)自身喜好調(diào)節(jié)投影屏或電視機(jī)的高度及角度，提高了人們在觀影時(shí)的舒適感。

4.2 臥室場景模式設(shè)計(jì)

根據(jù)消費(fèi)者的不同需求，綜合考慮臥室場景實(shí)用性以及用戶舒適度等多方面條件，將臥室設(shè)計(jì)分為書房模式、睡眠模式、梳妝模式3種模式。不僅節(jié)省了空間，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)臥室根據(jù)不同時(shí)間、不同用戶需求在3種模式之間的自由變換。進(jìn)而適應(yīng)小戶型住戶的不同需求，增大臥室活動(dòng)空間的同時(shí)獲得更佳的家居體驗(yàn)。

4.2.1 工作模式

在工作模式下，床與梳妝臺(tái)保持在天花板高度。書架通過采用L形軌道機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作模式下書架的橫縱向轉(zhuǎn)換以及高度調(diào)節(jié)，即書架可實(shí)現(xiàn)由天花板上的橫向收納切換為墻面上的豎直排列，同時(shí)，書架在豎直方向上高度可調(diào)節(jié)。書桌通過采用絲桿升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)書房模式下書桌從天花板高度下降至相應(yīng)工作高度。

書房模式可適應(yīng)用戶居家工作或?qū)W習(xí)的情況，在合理利用臥室空間以及天花板面積的同時(shí)，也使書房模式下的臥室更加簡潔美觀，提高工作效率。

4.2.2 睡眠模式

在臥室睡眠模式下，書架與書桌自動(dòng)運(yùn)動(dòng)至天花板高度，床同樣通過采用絲桿升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)床由天花板高度下降到地面高度的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，睡眠模式下智能控制機(jī)構(gòu)控制窗簾自動(dòng)關(guān)閉，并控制臥室燈燈光由亮漸漸變暗。

睡眠模式在節(jié)約臥室空間的同時(shí)充分考慮了小戶型住戶居家睡眠多方面的的舒適性，有助于提高用戶睡眠質(zhì)量。

4.2.3 梳妝模式

睡眠模式調(diào)節(jié)為梳妝模式，梳妝臺(tái)同樣通過雙軸電機(jī)帶動(dòng)兩端鋼絲通過定滑輪實(shí)現(xiàn)直線升降，實(shí)現(xiàn)梳妝臺(tái)由天花板高度下降到地面高度的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，梳妝模式下智能控制機(jī)構(gòu)控制窗簾自動(dòng)打開，臥室燈根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度。

梳妝模式可適合用戶梳妝的情況，在節(jié)約臥室儲(chǔ)物空間的同時(shí)，便于對梳妝相關(guān)用品的歸納整合。

4.3 廚房場景模式設(shè)計(jì)

廚房儲(chǔ)物柜通過采用L形軌道機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)廚房儲(chǔ)物柜的橫縱向轉(zhuǎn)換以及高度調(diào)節(jié)，即廚房儲(chǔ)物柜可實(shí)現(xiàn)由天花板上的橫向收納切換為墻面上的豎直排列。同時(shí)，廚房儲(chǔ)物柜在豎直方向上高度可調(diào)節(jié)。

廚房儲(chǔ)物柜在豎直排列狀態(tài)下便于用戶取用物品，在天花板上的橫向收納狀態(tài)下灶臺(tái)空出的面積可留作放置菜肴等用途，解決了小戶型廚房面積過小儲(chǔ)物空間不足的問題。

4.4 衛(wèi)生間場景模式設(shè)計(jì)

針對小戶型衛(wèi)生間面積較小的問題，考慮到用戶洗浴和如廁等多方面需求以及用戶舒適度和場景實(shí)用性。將衛(wèi)生間設(shè)計(jì)分為洗浴模式和如廁模式2種模式。在保證衛(wèi)生間功能的前提下節(jié)約空間，使衛(wèi)生間更加簡潔美觀。

4.4.1 洗浴模式

在洗浴模式下，通過絲桿升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間活動(dòng)天花板的升降，安裝在活動(dòng)天花板上的折疊浴缸以及沐浴花灑隨之下降到適宜高度。浴缸的給排水管道采用快捷接頭，浴缸下降至一定高度，則壁面管道與浴缸管道無縫接合，解決升降浴缸的出入水問題。

4.4.2 如廁模式

在如廁模式下，安裝有折疊浴缸及沐浴花灑的天花板上升至頂端。此模式下用戶可正常使用馬桶及洗手臺(tái)。洗浴模塊與如廁模塊的分離設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生間的干濕分離。

5 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

5.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置的控制系統(tǒng)是以智能化為前提，為保證裝置在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)了合理的控制系統(tǒng)。將整體裝置分為2個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包含多個(gè)模塊，其中包括客廳投影屏絲桿步進(jìn)電機(jī)模塊、茶幾轉(zhuǎn)軸減速步進(jìn)電機(jī)模塊和安全裝置推拉式電磁體部分等。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過多路步進(jìn)電機(jī)控制器來控制絲桿步進(jìn)電機(jī)和減速步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)絲桿升降、電磁鐵推拉機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)。

對于整體裝置控制部分，以電機(jī)為類分別建立了幾個(gè)模式。將客廳中鞋柜和投影屏中的絲桿步進(jìn)電機(jī)歸為一類，利用絲桿步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降。將臥室中床和梳妝臺(tái)中的絲桿步進(jìn)電機(jī)歸為一類，利用絲桿步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降。整體系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

5.1.1 推拉式電磁鐵控制部分

推拉式電磁鐵的性能強(qiáng)弱是由線圈的匝數(shù)的多少來決定的。它應(yīng)用了螺旋管的漏磁通原理，結(jié)構(gòu)牢固，利用電磁鐵動(dòng)鐵芯和靜鐵心長距離吸合，行程可以達(dá)到40～50mm及以上。為實(shí)現(xiàn)牽引桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采用電源加電控轉(zhuǎn)換，大功率啟動(dòng)，小功率維持的原理。利用推拉式電磁鐵可靠的固定特性和穩(wěn)定的移動(dòng)方式，應(yīng)用在茶幾的安全裝置中。將茶幾上的4塊電磁鐵一起通過電流控制板串聯(lián)到客廳的主控制板中，通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電流來控制拉桿的推拉實(shí)現(xiàn)安全卡扣的開合。

5.1.2 步進(jìn)電機(jī)控制

圖4為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖，其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。通過控制板控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)，具體可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。

圖4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖

5.1.3 三菱FX2N-48MT

本項(xiàng)目用梯形圖進(jìn)行編程，通過PLC實(shí)現(xiàn)對電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)推桿等驅(qū)動(dòng)，并加上限位開關(guān)和光電開關(guān)控制行程。由于PLC的可靠性和令人放心的高性能、高速運(yùn)算，在實(shí)際中也可以放心應(yīng)用。

5.2 總體尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的《人民生活實(shí)現(xiàn)歷史性跨越 闊步邁向全面小康——新中國成立70周年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就系列報(bào)告之十四》中指出2018年城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積達(dá)到39.0m2。以一戶70m2戶型的雙人住房為例，臥室擬定為3.0m×4.0m，客廳擬定為5.0m×4.0m。相關(guān)文獻(xiàn)表明，該設(shè)計(jì)符合最佳客臥面積比例。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，擬設(shè)計(jì)的住房凈高2.7m，頂部系列機(jī)構(gòu)擬定0.3m的工作范圍，其高度為3.0m，滿足現(xiàn)今建筑設(shè)計(jì)要求。本項(xiàng)目中，以模型的形式對構(gòu)型進(jìn)行縮小制作，以客廳臥室為表現(xiàn)主體，展現(xiàn)項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)的總體尺寸為1570mm×800mm×630mm。

智能天花板家居的設(shè)計(jì)是一個(gè)多模塊分散式的設(shè)計(jì)，以不同機(jī)構(gòu)組合形式對不同適度的家居進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不影響現(xiàn)在家居體系的設(shè)計(jì)下，實(shí)現(xiàn)家居的升降改造，并通過控制模式的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同家具在不同模式下的不同功能，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)空間的重復(fù)利用。本產(chǎn)品的尺寸根據(jù)人機(jī)工程學(xué)與常用家居尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。