智能環(huán)境感知晾衣架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

在傳統(tǒng)技術(shù)中，居家晾衣通常將晾衣桿固定在陽(yáng)臺(tái)上來晾曬衣物。隨著智能家居的逐步發(fā)展，智能晾衣也逐漸走入人們的生活，例如采用控制拉線來控制晾衣桿的升降，但現(xiàn)有晾衣方式存在以下缺陷：

(1) 晾衣裝置占地面積大，不適用于現(xiàn)有小戶型的住戶。

(2) 城市建筑密集，建筑距離小，陽(yáng)臺(tái)風(fēng)速小，太陽(yáng)照射時(shí)間短，導(dǎo)致衣物晾曬效果差，特別是樓層較低的住戶，衣物晾曬幾天都不能干，即使晾干后，也伴有酸臭味。

(3) 太陽(yáng)照射時(shí)間短，衣物滅菌效果差。

(4) 晾衣桿長(zhǎng)度固定不變，晾曬衣物有限。

(5) 晾曬環(huán)境僅限室內(nèi)，無法通風(fēng)晾曬，延長(zhǎng)了晾曬周期。綜上所述，現(xiàn)有的晾衣裝置還不能滿足人們的需求。

因此，本文提出了一種可伸縮、旋轉(zhuǎn)的智能環(huán)境感知晾衣架，不僅能實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化晾衣，更能智能的根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)判斷，防止衣物受惡劣天氣影響。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該智能晾衣架集成了多種戶外環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器及數(shù)據(jù)傳輸模塊，不僅能在工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的全自動(dòng)化晾曬，還能對(duì)戶外的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過無線網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)控。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

與單片機(jī)相連的雨滴傳感器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、PM2.5 粉塵傳感器、氧濃度傳感器、風(fēng)速傳感器作為數(shù)據(jù)采集終端，外置實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸給 STM32 單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并判斷環(huán)境是否符合晾曬要求，相應(yīng)的控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)晾曬衣物。另一方面STM32 單片機(jī)通過ZigBee 接入室內(nèi)無線局域網(wǎng)與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)共享，同時(shí)也將各傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 晾衣架的機(jī)械結(jié)構(gòu)

為解決目前小區(qū)住宅空間狹小的問題，該晾衣架采用升降和伸縮結(jié)構(gòu)，隨機(jī)擴(kuò)大或縮小晾曬空間，且升降架和所述伸縮架均為菱形伸縮架，菱形伸縮架還可以方便掛晾衣架。為了提高整個(gè)晾衣機(jī)的晾衣量，在所述伸縮架上設(shè)置有衣架掛孔。在固定安裝箱底部設(shè)置有照明裝置和紫外線照射裝置， 陰雨天氣時(shí)，可將衣架在室內(nèi)展開通過紫外線照射裝置對(duì)衣物進(jìn)行殺毒滅菌，通過照明裝置可方便人們使用。

該晾衣機(jī)所占用空間可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)等功能，可根據(jù)天氣調(diào)節(jié)晾衣機(jī)的位置，并調(diào)節(jié)伸縮架，實(shí)現(xiàn)伸展、收縮，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、承重量大等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)截面圖如圖 2 所示。

圖 2 智能晾衣架機(jī)械結(jié)構(gòu)截面圖

2.2 晾衣架機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制方法

系統(tǒng)控制晾衣架機(jī)械結(jié)構(gòu)的操作通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來完成。在晾衣架的安裝箱內(nèi)設(shè)置有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以控制菱形伸縮結(jié)構(gòu)上下伸縮，菱形伸縮結(jié)構(gòu)的另一端穿出固定安裝箱底部與升降平臺(tái)連接，在升降平臺(tái)中心設(shè)置一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，輸出軸豎直向下，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸上連接有旋轉(zhuǎn)抵接箱， 在旋轉(zhuǎn)抵接箱內(nèi)設(shè)置有至少一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制小型菱形伸縮結(jié)構(gòu)，電機(jī)的輸出軸與伸縮架的固定端連接，實(shí)現(xiàn)水平伸縮， 小型菱形伸縮結(jié)構(gòu)用于晾曬衣物。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件主要由晾衣架的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主控模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

3.1 主程序工作流程

本系統(tǒng)主程序由C 語(yǔ)言編寫，在前端傳感器數(shù)據(jù)采集的控制邏輯上根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的智能感知。其程序流程圖如圖 3 所示，在系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)正常晾曬狀態(tài)初始化傳感器，并根據(jù)實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)定各傳感器閾值以及步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。在各傳感器檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)適合晾曬衣物時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度伸展衣架。

3.2 主控模塊 

單片機(jī)采用 STM32 系列低成本嵌入式開發(fā)板，該處理器 在 16 位單片機(jī)基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步提升，具有功耗低、成本低 等特點(diǎn)。在運(yùn)算能力方面，該開發(fā)板的增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率 可達(dá) 72 MHz，能夠完全滿足全系統(tǒng)的高效運(yùn)算。在外設(shè)方面 也有較為出色的控制和聯(lián)接能力。系統(tǒng)選用 STM32F103RBT6 作為 MCU，該芯片具有 20 K SRAM、128 K Flash、3 個(gè)普通 的 16 位定時(shí)器、一個(gè) 16 位高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè) SPI、2 個(gè) I2C、 3 個(gè)串口、一個(gè) USB、一個(gè) CAN、2 個(gè) 12 位的 ADC、51 個(gè) 通用 IO 口。配置豐富、功能完善且價(jià)格低廉，故選其作為系 統(tǒng)主控芯片。

3.3 傳感器模塊

系統(tǒng)選用的STM32 主控芯片內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 可以直接轉(zhuǎn)換來自傳感器發(fā)送的模擬信號(hào)，因此采用的傳感器可直接與單片機(jī)的A/D 輸入口相連，減少了中間的轉(zhuǎn)換電路， 增強(qiáng)了可靠性。

3.3.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊采用主流的DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。該數(shù)字溫濕度傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，具備超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)?？梢淮涡詡鬏?40 b 數(shù)據(jù)，其中包括 16 b 濕度數(shù)據(jù)、16 b 溫度數(shù)據(jù)、8 b 數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，其濕度測(cè)量范圍為20% ～95%，濕度測(cè)量誤差為 5%，溫度測(cè)量范圍為 0 ～50℃，溫度測(cè)量誤差為 5℃。具有儀表級(jí)測(cè)量性能。

3.3.2 雨滴傳感器

目前市場(chǎng)上廣泛使用的雨滴傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉， 主要由 S型紋路刻蝕覆銅板構(gòu)成。工作時(shí)，當(dāng)雨滴落到覆銅板正面時(shí)，S 型紋路的刻蝕紋路會(huì)構(gòu)成一個(gè)回路，電路導(dǎo)通， 等同于一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)光將覆銅板上的雨水蒸發(fā)吸收完后，電路斷開，此時(shí)說明陽(yáng)光充足適合晾曬衣物。雨滴傳感器電路原理圖如圖 4 所示。

3.3.3 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度傳感器用于檢測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)度，廣泛用于LCD 顯示屏的環(huán)境光感應(yīng)，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)整屏幕背光亮度的目的。本系統(tǒng)采用市場(chǎng)上廣泛使用的GY-30 數(shù)字光模塊，該光模塊不僅性能突出、價(jià)格低廉且光譜范圍與人眼相近，因此能夠準(zhǔn)確判斷室外光線是否充足，以實(shí)現(xiàn)高效率的衣物晾曬。

3.4 無線傳輸模塊

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，主控芯片接收各傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)， 在自身處理之后還需將數(shù)據(jù)發(fā)送到室內(nèi)智能家居系統(tǒng)和云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和統(tǒng)計(jì)分析。目前，在智能家居領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用中，2.4 GHz 的ZigBee 和 900 MHz 頻段的Z-Wave 兩大應(yīng)用最為廣泛。基于IEEE 802.15.4 協(xié)議的ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有低復(fù)雜度、低功耗、自組織、低數(shù)據(jù)速率、近距離等特點(diǎn)， 且節(jié)點(diǎn)間通信可靠性高。目前ZigBee 已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。故系統(tǒng)采用 2.4 GHz 這一頻段來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。選用ZigBee 無線傳輸模塊一方面能夠保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、高效、可靠的傳輸，另一方面還可提升與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)之間的兼容性。

在該系統(tǒng)中，各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳到主控芯片后，一方面會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)下環(huán)境是否符合晾曬條件，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。另一方面將采集的數(shù)據(jù)打包，而此時(shí) ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是室內(nèi)智能家居系統(tǒng)的組成部分，與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)下日常生活晾曬衣物的難題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能環(huán)境感知晾衣架，采用多個(gè)傳感器采集、傳輸、共享室外環(huán)境數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化晾衣，節(jié)約空間、時(shí)間的高效晾曬，更能在晾曬的同時(shí)準(zhǔn)確、及時(shí)地采集戶外光照強(qiáng)度，氧氣濃度，PM2.5 值，溫濕度，風(fēng)速等。再與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以最簡(jiǎn)單快捷的方式確保室內(nèi)環(huán)境更益于人的身體健康。目前已制作出能實(shí)現(xiàn)基本功能的樣品，可全自動(dòng)化晾曬衣物并及時(shí)、精確的發(fā)送數(shù)據(jù)。若在市場(chǎng)上適當(dāng)推廣，當(dāng)使用量達(dá)到一定程度時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)存放于云端進(jìn)行在線分析，可對(duì)小區(qū)域環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，對(duì)天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)。