一款智能分類回收晾衣架設(shè)計(jì)研究

吳林平，葉旭東，詹兆梁

（莆田學(xué)院新工科產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建 莆田 351100）

0 引 言

本作品是基于HT32F52352單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)智能晾衣架，智能晾衣架的功能主要是幫助人們晾曬衣服，它能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)分干濕衣物，并且可以在下雨天自動(dòng)收回，為人們生活減少很多的煩惱?！爸悄芰酪录堋笨梢詫?shí)現(xiàn)上下伸縮和前后導(dǎo)軌單獨(dú)控制衣服移動(dòng)，上下伸縮由按鍵、紅外遙控以及云端控制，可以調(diào)節(jié)到合適的高度以便我們收掛衣物。前后導(dǎo)軌控制衣服移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)將干濕衣物自動(dòng)分離以及在雨天將衣服自動(dòng)收回。當(dāng)我們掛上衣物晾曬后，會(huì)有重力感應(yīng)器記錄其重量，當(dāng)重量穩(wěn)定一段時(shí)間后將其單獨(dú)區(qū)分向后移動(dòng)，下雨天會(huì)有雨水傳感器感應(yīng)，由導(dǎo)軌將所有衣物向后移動(dòng)，以免打濕，同時(shí)可由太陽(yáng)能提供一部分電能，達(dá)到節(jié)能的目的。因此，該智能分類回收晾衣系統(tǒng)的主要功能和作用是可以根據(jù)天氣、環(huán)境狀況和衣服干濕程度進(jìn)行自動(dòng)回收，提高衣服的晾曬速度，減少人們判斷衣服干濕的時(shí)間和被雨水淋濕的煩惱。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 智能分類回收晾衣架的硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述介紹的功能，下面是我們產(chǎn)品主要實(shí)現(xiàn)功能的硬件。

設(shè)計(jì)方案與原理：

HT32F52352單片機(jī)主控：

智能晾衣架的設(shè)計(jì)是基于HT32F52352芯片作為CPU，使用串口實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境信息分析，利用重力感應(yīng)器區(qū)分是由有干濕衣物混合，利用雨天智能傳感系統(tǒng)判斷是否下雨，利用串口驅(qū)動(dòng)紅外模塊實(shí)現(xiàn)本地與紅外遙控互聯(lián)。本系統(tǒng)結(jié)合以上模塊實(shí)現(xiàn)晴天自動(dòng)晾曬雨天自動(dòng)收回、重力感應(yīng)回收、紅外遙控調(diào)節(jié)上下，前后伸縮等功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)保證了整個(gè)晾衣架系統(tǒng)對(duì)信息的采集、分析；對(duì)控制指令的下達(dá)、狀態(tài)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衣服的智能晾曬或干濕分離。

1.1.1 單片機(jī)主控

智能分類回收晾衣架以單片機(jī)作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)智能分類回收晾衣架的自動(dòng)控制。當(dāng)天氣突變，智能分類回收晾衣架雨感傳感器讀取到雨量大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)接收到收衣的信號(hào)，同時(shí)發(fā)出指令控制電機(jī)反轉(zhuǎn)和道岔位置，帶動(dòng)智能分類回收晾衣架收回，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣下保護(hù)衣物的目的?？紤]到南方常見(jiàn)的潮濕天氣或者冬天情況，我們團(tuán)隊(duì)根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖猸h(huán)境進(jìn)行定制，系統(tǒng)加入自動(dòng)烘干裝置，在必要的時(shí)候可以利用其進(jìn)行烘干，當(dāng)智能分類回收晾衣架接收控制器感應(yīng)到無(wú)線遙控發(fā)出的信號(hào)，單片機(jī)也會(huì)接收到收衣信號(hào)，控制智能分類回收晾衣架收回，開(kāi)啟智能分類回收晾衣架烘干機(jī)。此外，由于室外天氣環(huán)境復(fù)雜，智能分類回收晾衣架有時(shí)無(wú)法做出最合適的反應(yīng)，用戶可通過(guò)手機(jī)APP、無(wú)線遙控和語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行人工控制智能分類回收晾衣架整個(gè)系統(tǒng)。按鍵對(duì)應(yīng)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制，語(yǔ)音對(duì)應(yīng)自動(dòng)控制，智能分類回收晾衣架上下伸縮、衣服收回、烘干機(jī)開(kāi)啟、烘干機(jī)關(guān)閉和干濕衣物分離等功能，當(dāng)用戶按下相應(yīng)的按鍵，可以直接控制智能分類回收晾衣架的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)智能分類回收晾衣架的手機(jī)APP會(huì)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便用戶在使用過(guò)程中清楚地了解到智能分類回收晾衣架當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。但是在停電的情況下，本產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)普通智能分類回收晾衣架各項(xiàng)功能，無(wú)法進(jìn)行智能控制，只能進(jìn)行手動(dòng)操作。如圖1所示。

圖1 晾衣架模型圖

1.1.2 天氣信息采集

Water Sensor是一個(gè)利用濕度方式檢測(cè)有沒(méi)有水分的傳感器，可用于天氣狀況的監(jiān)測(cè)，可以檢測(cè)有沒(méi)有下雨。將傳感器放置在室外，當(dāng)有雨水滴到檢測(cè)面上時(shí)，濕度將增大，隨之電壓升高，并轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)DO和模擬信號(hào)AO輸出。除了檢測(cè)雨水外，霧水和水蒸氣也都能檢測(cè)。

1.1.3 電機(jī)控制

利用控制繼電器組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)4個(gè)繼電器形成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并通過(guò)觸點(diǎn)動(dòng)作速度實(shí)現(xiàn)電機(jī)速調(diào)。其中步進(jìn)電機(jī)將達(dá)到智能分類回收晾衣架的上下伸縮和導(dǎo)軌循環(huán)功能的功能。直流電機(jī)將控制道岔模塊，道岔由轉(zhuǎn)轍器、連接部分和轍叉，其靈感來(lái)源于火車的變軌運(yùn)動(dòng)，其控制了衣物的干濕分離，從而實(shí)現(xiàn)了衣架的核心功能。

1.1.4 重量感應(yīng)

重量感應(yīng)器在衣物掛上后會(huì)記錄其重量，由智能傳感系統(tǒng)判斷是否干濕，衣物在晾曬過(guò)程中會(huì)不斷地減少重量，達(dá)到一定程度之后將會(huì)不變。重力傳感器對(duì)其判斷是否重量維持一段時(shí)間不發(fā)生改變，若是，則對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行回收至后去。我們使用HX711小體積稱重傳感器，其采用的HX77是24位高精度的A/D的轉(zhuǎn)換器芯片。

1.1.5 烘干器

該模塊采用PTC暖風(fēng)機(jī)它利用風(fēng)機(jī)鼓動(dòng)空氣流經(jīng)PTC電熱元件強(qiáng)迫對(duì)流，以此為主要熱交換方式，此高效優(yōu)異的烘干效果，升溫快而且耗電小，具有自動(dòng)恒溫功能，出現(xiàn)故障時(shí)可自動(dòng)斷電，安全性很高，且PTC元件一般具有防水功能。

1.1.6 控制器

控制器是晾衣竿的中央控制設(shè)備與中央處理器相結(jié)合，用于接收其他裝置和傳感器的檢查結(jié)果，并反饋于中央處理器，并根據(jù)反饋的結(jié)果控制智能分類回收晾衣架的各個(gè)部件。

1.1.7 軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)是這個(gè)產(chǎn)品的核心系統(tǒng)，其主要采用電動(dòng)絲桿導(dǎo)軌，電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對(duì)絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作。如通過(guò)各種杠桿、搖桿或連桿等機(jī)構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動(dòng)、搖動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)作。通過(guò)改變杠桿力臂長(zhǎng)度，可以增大或加大行程。其主要工作原理是，當(dāng)重量傳感器判斷出衣服重量長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有發(fā)生變換，將判斷為衣服已經(jīng)干了，同時(shí)把信息傳送到控制器，控制器開(kāi)始控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到道岔部分，道岔會(huì)自動(dòng)變軌，將干衣服往回收區(qū)導(dǎo)軌后，再次變軌將其他衣物循環(huán)回到晾曬區(qū)，過(guò)程快速又簡(jiǎn)潔。如圖2所示。

圖2 單片機(jī)功能圖

1.2 智能分類回收晾衣架軟件設(shè)計(jì)

智能曬衣架系統(tǒng)軟件要滿足智能分類回收晾衣架運(yùn)行的要求。系統(tǒng)程序主要由主程序和多個(gè)子程序組成，每個(gè)子程序擔(dān)當(dāng)一定的功能。

系統(tǒng)的三個(gè)模式：

（1）智能晾曬模式：雨水感應(yīng)器檢測(cè)室外天氣是否下雨判斷是否下雨的依據(jù)可以根據(jù)濕度，溫度傳感器采集的信息進(jìn)行判斷，若天氣沒(méi)有下雨，即濕度低于某一值時(shí)，導(dǎo)軌將衣物自動(dòng)移至前區(qū)達(dá)到晾曬的目的，當(dāng)天氣處于下雨?duì)顟B(tài)，自動(dòng)收縮將衣服收回。

（2）重量感應(yīng)模式：通過(guò)重量感應(yīng)器，衣物掛上時(shí)自動(dòng)記錄衣物重量，當(dāng)重量穩(wěn)定一段時(shí)間后將其單獨(dú)區(qū)分向后移動(dòng)至待收區(qū)，避免手感判別有誤，便于用戶收取衣服。

（3）云端智控模式：用戶可使用手機(jī)云端進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)得知衣服的干濕情況，智能分類回收晾衣架APP，使用了藍(lán)牙5.0通信的方式，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)與嵌入式芯片的交互。用戶可以直觀的在APP中看到當(dāng)前智能分類回收晾衣架伸縮、循環(huán)狀態(tài)、室外天氣情況、衣服回收情況以及智能分類回收晾衣架是否正在進(jìn)行滅菌或烘干，并且用戶可在手機(jī)APP客戶端對(duì)智能分類回收晾衣架狀態(tài)進(jìn)行更改。

系統(tǒng)軟件構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件構(gòu)圖

技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 技術(shù)路線

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）衣物干濕自動(dòng)識(shí)別功能。將衣物掛上衣架，重力傳感器自動(dòng)記錄重量，將不同時(shí)段的重量數(shù)據(jù)記錄對(duì)比；通過(guò)前后比較判斷衣物是否晾干，質(zhì)量小于最初重量，且重量不再變化，判斷衣物已晾干。

（2）干濕衣物自動(dòng)分類。通過(guò)衣物干濕自動(dòng)識(shí)別，將晾干的衣物通過(guò)電機(jī)和導(dǎo)軌送到待收區(qū)，未晾干的衣物則會(huì)留在原地，繼續(xù)等待晾干。

（3）下雨自動(dòng)收起衣架。通過(guò)雨水傳感器對(duì)周圍環(huán)境信息的采集和處理，判斷天氣情況；遇到下雨天，及時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將衣架整體收回。

（4）與云端APP交互。利用收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)與云端APP的交互，實(shí)時(shí)得知衣服的干濕情況，同時(shí)APP可以手動(dòng)控制衣物的晾曬時(shí)間，如圖5所示。

圖5 APP系統(tǒng)頁(yè)面

3 核心技術(shù)

使用小型嵌入式控制芯片作為衣架設(shè)備的中央控制器，結(jié)合軌道機(jī)構(gòu)、晾衣桿、控制系統(tǒng)、控制器、重量傳感器、雨感傳感器、電機(jī)、語(yǔ)言系統(tǒng)智能和無(wú)線遙控系統(tǒng)、燈光、光敏電阻和烘干裝置，將傳感器采集到的信息輸入嵌入式控制芯片后進(jìn)行分析，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化晾曬。可伸縮的智能分類回收晾衣架以及特殊導(dǎo)軌，通過(guò)設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)，使得智能分類回收晾衣架達(dá)到隨環(huán)境的變化而自動(dòng)控制功能：

（1）能根據(jù)天氣進(jìn)行自動(dòng)控制衣架晾曬和收回。

（2）基于莆田市等廣大南方地區(qū)出現(xiàn)的長(zhǎng)期陰雨潮濕天氣特別定制的烘干功能，自動(dòng)收回衣物，保護(hù)衣物干爽整潔。

（3）雨滴傳感器多點(diǎn)布置，提高傳感器的靈敏度，確保智能分類回收晾衣架收集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

（4）智能分類回收晾衣架的自動(dòng)分離晾衣功能和烘干機(jī)的烘干衣物功能組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)衣服雙重確認(rèn)。

（5）APP、語(yǔ)音和無(wú)線遙控的控制功能，使衣架用起來(lái)方便又簡(jiǎn)單。

目前，市場(chǎng)上的智能分類回收晾衣架都是以伸縮和烘干為主，這種方法簡(jiǎn)單又單一，無(wú)法滿足因天氣變化無(wú)常，尤其在多雨地區(qū)，如果無(wú)人在家，室外晾衣服可能被淋濕，甚至因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間不收而造成對(duì)衣物的損壞。另一方面，現(xiàn)有的技術(shù)中提供了可以烘干衣物的烘干機(jī)，但是在中國(guó)，人們更加習(xí)慣利用陽(yáng)光進(jìn)行晾曬，所以人們跟傾向于晾衣桿。因此，本產(chǎn)品是基于人們的生活習(xí)慣和現(xiàn)有的技術(shù)上進(jìn)行改造，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

與目前市面上的智能分類回收晾衣架相比，所設(shè)計(jì)的衣架優(yōu)勢(shì)有：

（1）智能化程度的提升，功能增加又實(shí)用。

（2）特殊電動(dòng)絲桿，可快速回收和分類干濕衣物。

（3）模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、遇阻即停、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠、性能穩(wěn)定、空間利用率高、曬取方便，效果明顯，應(yīng)用價(jià)值高。

4 結(jié) 論

通過(guò)使用小型嵌入式控制芯片作為衣架設(shè)備的中央控制器，結(jié)合軌道機(jī)構(gòu)、晾衣桿、控制器、重量傳感器、雨水感傳感器、電機(jī)、語(yǔ)言系統(tǒng)智能和無(wú)線遙控系統(tǒng)、燈光、光敏電阻和烘干裝置，嵌入式控制芯片將傳感器采集到的信息進(jìn)行分析，繼而驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化晾曬?？缮炜s的智能分類回收晾衣系統(tǒng)以及特殊導(dǎo)軌，通控制結(jié)構(gòu)使得智能分類回收晾衣系統(tǒng)達(dá)到隨環(huán)境的變化而自動(dòng)控制功能。