基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙碳型智慧晾衣架

◎湖南省株洲市二中初中部2103班 全柯睿 鄧力鋮

本期點評專家

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

隨著生活節(jié)奏越來越快，人們花在晾曬衣服上的時間越來越少，雨天常常無法及時收回衣服。同時，隨著“雙碳”理念的提出，人們越來越重視對綠色能源的利用。鑒于此，我們發(fā)明了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙碳型智慧晾衣架。

一、工作原理

1.能源供應

智能晾衣架的能源一般有三種來源：一種是市電，一種是自行提供，一種是蓄電池。本裝置響應國家“雙碳”政策，利用“高樓風”發(fā)電。

2.智能控制

本裝置利用風力發(fā)電機驅(qū)動電機，利用單片機作為中央處理器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠程控制移動終端，完成晾衣架的伸展、收回。

正常情況下，當達到預設(shè)時間且光敏傳感器模塊讀取到的光照強度高于預設(shè)值時，時鐘模塊發(fā)出指令使直流電機轉(zhuǎn)動，晾衣架機械系統(tǒng)工作，完成衣服的晾曬。當雨滴傳感器讀取到的雨量值大于預設(shè)值時，單片機接收到收衣服的信號，同時發(fā)出指令使直流電機轉(zhuǎn)動，帶動晾衣架機械系統(tǒng)工作，收回衣服。

為滿足使用者個性化的需求，我們在系統(tǒng)中加入了通信模塊，利用移動終端對系統(tǒng)進行控制。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由風力發(fā)電機、開發(fā)板、光敏傳感器模塊、雨滴感應模塊、遠程終端、時鐘模塊、故障模塊和各類電子元器件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、硬件設(shè)計

1.晾衣架

晾衣架的機械部分采用三連桿結(jié)構(gòu)，由風力發(fā)電機、電機、滑輪、纜繩、控制箱（內(nèi)部集成單片機、光敏傳感器模塊、遠程終端、通信模塊、時鐘模塊、雨滴感應模塊、故障模塊）等組成，如圖2、圖3所示。

圖2 晾衣架側(cè)視圖

圖3 晾衣架正視圖

晾衣服的工作流程為：電機驅(qū)動滑輪正向旋轉(zhuǎn)，釋放纜繩，在重力作用下，晾衣架伸展，實現(xiàn)衣服晾曬。收衣服的工作流程為：電機驅(qū)動滑輪逆向旋轉(zhuǎn)，收緊纜繩，晾衣架收攏，收回衣服。

2.風力發(fā)電機

選用SMC-F300H垂直軸微型風力發(fā)電機，它能在風向不定的情況下持續(xù)穩(wěn)定運行，對安裝環(huán)境的要求較一般風力發(fā)電機要低，具有適應性強、風速低、風能利用率高的特點，非常適用于居民聚集區(qū)。

3.電機

選用精密N20直流減速電機，它采用全金屬齒輪結(jié)構(gòu)，力矩更大，更牢靠，噪聲更低。

三、控制系統(tǒng)

本裝置的控制系統(tǒng)包括主控芯片、電機驅(qū)動模塊、通信模塊、雨滴感應模塊、光敏傳感器模塊、故障模塊等。

1.主控芯片

主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，它具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點。

2.電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊利用L298N驅(qū)動芯片對電機進行控制。通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進行設(shè)定，即可驅(qū)動電機正、反轉(zhuǎn)，操作簡單、穩(wěn)定性好。

3.通信模塊

單片機通過無線傳輸模塊與移動終端連接。無線傳輸模塊采用體積小、功耗低的ESP8266芯片。

4.雨滴感應模塊

雨滴感應模塊采用穩(wěn)定性好、可靠性高的DHT11數(shù)字溫濕度復合傳感器，能同時獲取溫度與濕度兩個數(shù)據(jù)。

5.光敏傳感器模塊

光敏傳感器模塊采用NHZD10傳感器，它具有結(jié)構(gòu)牢固、密封性好、穩(wěn)定性好、測量精度高、抗干擾能力強等特點。

6.故障模塊

故障模塊包括電流傳感器和位置傳感器。

當天氣和預設(shè)時間滿足條件而電機未轉(zhuǎn)動時，電流傳感器感應不到電流，電流傳感器發(fā)送故障信息給單片機。位置傳感器被設(shè)置于蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)中，當晾衣架未到達相應位置時，位置傳感器發(fā)送故障信息給單片機。

電流傳感器和位置傳感器分別與單片機連接，單片機通過無線傳輸模塊發(fā)送故障信息至用戶手機。

四、軟件設(shè)計

我們通過設(shè)定程序，使裝置實現(xiàn)以下功能。

1.自動晾曬

利用時鐘模塊，設(shè)置8：00晾曬，18：00收回。晾曬期間，晾衣架通過雨滴感應模塊實時監(jiān)測天氣是否下雨，遇雨則收回衣服；通過光敏傳感器模塊檢測是否出太陽，如出太陽則晾曬衣服。

2.個性化設(shè)置

本裝置利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)個性化設(shè)置，用戶可以根據(jù)自己的需求提前設(shè)置晾曬衣服的起止時間。

3.設(shè)備故障報警

當裝置出現(xiàn)故障時，會自動發(fā)送故障信息給用戶，提醒用戶進行手動操作或及時維修。

五、實驗驗證

為驗證裝置的性能，我們在不同時段、不同氣候條件下對裝置進行了多次情景模擬實驗。實驗數(shù)據(jù)表明，該裝置能達到預定目標。

專家點評

全柯睿、鄧力鋮同學的“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙碳型智慧晾衣架”是一件具有社會首創(chuàng)性的創(chuàng)新實踐項目。從選題來看，它是一件“老題新做”的作品。文中技術(shù)應用的內(nèi)容較多，研究過程也較為嚴謹，體現(xiàn)了指導老師想通過實施項目激發(fā)學生科研潛質(zhì)的初衷。同時，這個項目的完成也充分展現(xiàn)了兩位同學的探究能力和對相關(guān)技術(shù)的應用能力。

值得商榷是：其一，現(xiàn)在很多晾衣架都有烘干功能，花這么多的精力來研究這個老課題，是否有必要？即使有必要，也應在研究背景中給出分析數(shù)據(jù)，讓人信服。其二，該項目名稱中的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“雙碳型”“智慧”等概念，一方面確實會讓人眼前一亮，但另一方面也有博人眼球之嫌。