基于物聯(lián)網(wǎng)的自動存取鞋柜控制設(shè)計(jì)

戚欣妍，張 陳，譚若瑤，周麗琳，孫 萌，胡文豪

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

目前，市面上多數(shù)智能鞋柜只能對鞋子進(jìn)行除臭、保養(yǎng)以及殺菌等操作。此外，也有一些企業(yè)為大型商場和公共場所生產(chǎn)某種工業(yè)自動存取柜[1-5]。然而，至今為止在智能家具領(lǐng)域還沒有一種可以實(shí)現(xiàn)存鞋與取鞋過程自動化的鞋柜。因此，為了適應(yīng)大部分群體對新型智能家具的需求并填補(bǔ)市場空白，鞋柜自動存取控制系統(tǒng)亟待開發(fā)。

鞋柜本身擁有龐大的銷售市場，而智能鞋柜作為老式鞋柜的高科技化產(chǎn)品，它的市場前景不可估量，它可以取代傳統(tǒng)鞋柜，滿足消費(fèi)者的潛在需求，迅速占領(lǐng)市場[6-7]。智能鞋柜融合了目前電器領(lǐng)域最頂尖的智能技術(shù)，從功能性、美觀性、審美性、科技性方面都具有良好的特性，受到發(fā)達(dá)國家消費(fèi)者的熱力追捧，目前中國市場也初露消費(fèi)傾向[8-10]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)模塊與下位機(jī)PLC 控制器通信交互方法設(shè)計(jì)了一款智能鞋柜，結(jié)合手機(jī)智能云平臺實(shí)現(xiàn)控制，用戶可以利用手機(jī)云平臺人機(jī)界面自行選擇自己需要的操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鞋柜整體由上下兩部分構(gòu)成，首先是下半部分的物聯(lián)網(wǎng)自動存取鞋柜，其次是上半部分根據(jù)日常用途設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)鞋柜。下半部分物聯(lián)網(wǎng)自動存取鞋柜主要實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動：一是放置點(diǎn)與存取平臺之間的內(nèi)部前后運(yùn)動；二是存取平臺的外部平面運(yùn)動。內(nèi)部前后運(yùn)動通過帶傳動實(shí)現(xiàn)，外部平面運(yùn)動通過兩臺伺服電機(jī)連接滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。下半部分自動存取鞋柜采用蓋板封裝，使用螺釘連接固定，結(jié)構(gòu)簡單易于維護(hù)。此外，利用螺釘將外部平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在自動存取柜體中。上半部分傳統(tǒng)鞋柜通過門鉸鏈連接門與柜體，采用螺釘連接門與把手，抽屜放于中間。三維總體裝配如圖1所示。

圖1 三維總體裝配示意圖

2 系統(tǒng)元器件的選擇

本設(shè)計(jì)綜合經(jīng)濟(jì)效用、產(chǎn)品性能選擇各種元器件，具體見表1 所列。

表1 系統(tǒng)元器件

3 電氣接線方式設(shè)計(jì)

由于總共有10 個(gè)鞋子放置點(diǎn)和1 個(gè)存取平臺，故一共需要11 個(gè)直流電機(jī)以及22 個(gè)直流繼電器以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。物聯(lián)網(wǎng)模塊與PLC 控制器相連，X軸與Y軸伺服驅(qū)動器各搭配1 個(gè)端子排以方便接線。X1、X2、X3、X4分別連接四個(gè)行程開關(guān)，作為兩個(gè)滾珠絲杠傳動的四個(gè)極限位置。模擬運(yùn)行平臺電氣接線如圖2所示。

圖2 電氣接線方式

本次設(shè)計(jì)使用伺服電機(jī)時(shí)采用的是位置控制方式，故每臺伺服電機(jī)各有兩個(gè)信號輸出點(diǎn)，即脈沖信號和方向信號。在這兩個(gè)信號的控制下就可以使伺服電機(jī)精確運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)通過滾珠絲杠傳動運(yùn)動的存取平臺與對應(yīng)放置點(diǎn)精確對應(yīng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

綜合多方面考慮，本設(shè)計(jì)使用PLC 控制程序。根據(jù)設(shè)計(jì)所需實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)功能，本課題選擇三菱旗下FX3U 系列PLC控制器，型號為FX3U-64MT/ES-A?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程

4.2 物聯(lián)網(wǎng)模塊

本設(shè)計(jì)使用的物聯(lián)網(wǎng)模塊是創(chuàng)恒P432B，其擁有云平臺以及VPN 遠(yuǎn)程更新與編程功能，方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和設(shè)備更新。創(chuàng)恒P432B 擁有完備的服務(wù)體系、地圖監(jiān)控、組態(tài)監(jiān)控、設(shè)備管理、智能網(wǎng)關(guān)、定時(shí)任務(wù)等功能。P432B 支持有線WAN 口、LAN 口、WLAN 網(wǎng)絡(luò)以及4G 網(wǎng)絡(luò)接口，支持一路串口到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)透傳的功能。在工控聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、個(gè)人醫(yī)療、智能家居等這些需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。先將PLC 與P432B 相連，實(shí)現(xiàn)PLC 控制器與物聯(lián)網(wǎng)模型通信，在云平臺中添加主機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC 通信；然后在云平臺中建立物聯(lián)網(wǎng)人機(jī)界面，使手機(jī)可以控制PLC控制器；最后，用戶使用時(shí)打開微信小程序中的人機(jī)界面即可控制整個(gè)系統(tǒng)。用戶可以通過此微信小程序控制整個(gè)系統(tǒng)，這樣就可以自行選擇鞋子的存入或取出，一切由自己控制。此外，用戶可以根據(jù)自己的需求對人機(jī)界面進(jìn)行優(yōu)化，例如按鈕、提示等。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 電氣元件測試

行程開關(guān)的調(diào)試：將行程開關(guān)的一端接入PLC、另一端接入COM 端即可，當(dāng)行程開關(guān)按下時(shí)PLC 控制器輸入端信號發(fā)生變化則表明行程開關(guān)調(diào)試完畢。

伺服電機(jī)的調(diào)試：利用MELSOFT MR Configurator2 在無程序輸入環(huán)境下對伺服驅(qū)動器以及伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行測試。分別點(diǎn)擊圖中正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)圖標(biāo)測試伺服電機(jī)能否進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，再點(diǎn)擊強(qiáng)制停止按鈕測試伺服電機(jī)緊急停止開關(guān)是否能正常工作。若上述兩項(xiàng)均無問題，則表明伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)均無問題。

5.2 關(guān)鍵程序調(diào)試

手動模式程序調(diào)試：將GX Works2 中編寫的PLC 程序遠(yuǎn)程寫入PLC 控制器。通過GX Works2 監(jiān)視模式觀測PLC狀況，利用手機(jī)云平臺控制輔助繼電器，分別測試X軸與Y軸伺服電機(jī)；然后利用云平臺繼續(xù)測試存取平臺與對應(yīng)放置點(diǎn)的各個(gè)直流電機(jī)，由于直流電機(jī)是通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的，所以直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)即表明中間繼電器運(yùn)行正常且無故障。

自動存入系統(tǒng)調(diào)試：首先利用GX Works2 編寫自動存入的PLC 程序，再通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將程序遠(yuǎn)程寫入PLC 控制器；接著在手機(jī)端利用云平臺開始測試。

自動取出系統(tǒng)調(diào)試：完成自動存入系統(tǒng)調(diào)試之后，修改程序并將新的程序另存為自動取出程序，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將程序遠(yuǎn)程寫入PLC 控制器。

在調(diào)試完各個(gè)子系統(tǒng)后，將完整的PLC 控制程序通過物聯(lián)網(wǎng)模塊遠(yuǎn)程傳輸功能寫入三菱PLC 再進(jìn)行實(shí)際測試。

6 結(jié)語

智能家居的快速發(fā)展，在日常生活中為人們節(jié)約了很多時(shí)間。其中物聯(lián)網(wǎng)自動存取鞋柜的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了人們的生活質(zhì)量。本文所設(shè)計(jì)研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)自動存取鞋柜在當(dāng)前市場上未有相似產(chǎn)品，不僅擁有傳統(tǒng)鞋柜的儲存功能，還能實(shí)現(xiàn)自動存取，填補(bǔ)了智能家居市場上的一個(gè)空白。雖然目前成本控制與產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案并不完善，但是在便捷性方面已經(jīng)能滿足人們的需求。本設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)作為傳輸媒介實(shí)現(xiàn)自動存取是追逐時(shí)代潮流、引領(lǐng)新型技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)，對社會進(jìn)步和發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。