具有环境感知功能的智能晾衣架

2017-05-16付麟杰商春雪李斌杨昆罗毅董兴华

物联网技术 2017年4期

付麟杰+商春雪+李斌+杨昆+罗毅+董兴华+李秋瑾

摘要：为解决天气变化而无法及时晾晒衣物的问题，以STC12单片机为控制芯片，通过剪叉式机械结构，结合无线传感器网络技术和无线通信技术，设计了一款可自动伸缩的智能晾衣架。该晾衣架可通过判断天气的变化实现衣物的自动晾晒和回收，从而解决在无人情况下衣物的自动晾晒和回收问题。

关键词：自动晾晒衣物；单片机；剪叉式机械结构；无线传感器网络

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-05

0 引言

智能家居所带来的全新生活方式顺应了社会发展的需要，随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的发展变化，人们对家居环境的安全性、舒适性、高效性提出了更高的要求。同时越来越多的家庭要求家居产品不仅具备简单的智能功能，更要求整个系统在功能扩展、外延以及服务方面能够做到简单、方便、轻松，安全。而智能衣架可让人们无论身处何地，都可以高效智能地掌控家居，享受高品质的生活。

针对目前传统晾衣架的现状，文中设计了一种基于传感器和通信模块的自动控制晾衣架，实现集天气情况监测、通信报警、自动收缩衣架功能于一体的智能控制结构。晾衣架可以感应外界阳光自动晾衣，下雨自动收衣，在家中可用遥控智能控制，对于上班一族而言，还可远程手机通信。

1 研究现状

近十年来，随着国内经济高速发展及房地产的快速扩张，直接促进了装修家居行业的飞速发展，其中晾衣架市场已脱颖而出，十年间发展迅猛。智能晾衣架作为一个独立的行业，已由起步阶段逐渐成熟。

由于手摇晾衣架本身存在构造简单，使用寿命短、保养繁琐等种种缺陷，无法满足消费者日益发展的家居智能化需求。原始的晾衣架只是一根穿有绳子或者铁丝的钢管，之后借助尼龙绳手动牵引升降，后来发明了尼龙绳式手摇晾衣架，直至八九十年代，晾衣架才进化到了钢丝手摇式。以广东好太太为首的手摇晾衣架迅速占领了国内市场。

到二十世纪初，电动晾衣架横空出世，南京屋之秀于2003年的广州家居五金展览会上首次展示了电动晾衣机。从此，晾衣架市场风云再起。南京屋之秀作为电动晾衣机的开山鼻祖，由于种种原因，已经销声匿迹。取而代之的是好易点智能晾衣架的一路升级换代。近几年，好易点智能晾衣机以其不断创新的技术，人性化的晾衣体验，逐步被消费者认可，一时引领了智能晾衣机市场的潮流！

电动晾衣机在亚洲发达国家及地区起步较早，在日本、韩国、新加坡等国电动晾衣机市场普及率已达40%以上；国内电动晾衣机市场正在步入高速发展的快车道，上海、北京、广州等一线城市市场占有率已达5～10%。未来五年，智能晾衣机必将代替传统户外晾衣架、室内手摇晾衣架，成为家庭晾衣的新宠儿。

东莞市沃沦玛电子科技有限公司推出的“衣衣不舍”智能晾衣架可以通过红外遥控的方式对晾衣架进行操作，极大地方便了人们的起居生活；之后，陆续有多个团队推出了通过MCU控制的智能晾衣架，使智能晾衣架得到了更快的发展，也使更多的人开始关注智能晾衣架。我们的团队通过将MCU控制，无线控制等多个方面结合起来，开发出了一套集多功能于一体的智能晾衣架控制系统。

2 主要架构及工作原理

2.1 主要架构

智能晾衣架系统由主控芯片，环境感知，无线通信，人机交互，机械控制五部分组成。

（1）主控芯片采用STC12C5A60S2单片机对收到的信号进行判断从而控制机械结构；

（2）环境感知部分由光照传感器和雨量传感器组成[1]，可读取外界的光照强度和雨量大小，然后将信号发给单片机；

（3）无线通信主要由蓝牙通信和GSM通信组成，可以远程控制晾衣架；

（4）人机交互部分可以实现手动控制晾衣架；

（5）机械控制部分实現晾晒衣物的功能[2-5]。

晾衣架主要架构如图1所示。

2.2 工作原理

当光照传感器读取到的光照强度高于预设值时，单片机接收到晾衣的信号，发出指令使直流电机正转，直流电机的转动带动了机械部分工作，机械臂则通过带动晾衣架上升实现晾晒衣物的目的；当雨量传感器读取到的雨量大于预设值时，单片机接收到收衣的信号，同时发出指令使直流电机反转，直流电机的转动带动机械部分工作，机械臂通过带动晾衣架下降收回衣物。考虑到晾衣架是否能够成功伸出并收回，系统加入了调整方向的功能。由于生活中还存在临时晾收衣物的情况，故在系统中加入了蓝牙模块[6]和GSM模块[7]。当人们距离晾衣架系统较远时，可使用GSM模块对系统进行控制，例如手机发送短信。当人们距离晾衣架系统较近时，考虑到使用GSM模块会产生流量，话费等问题，在系统中加入了蓝牙模块，可通过蓝牙对系统进行控制。此外，考虑到部分人群不使用手机的情况，可通过按键方式控制该系统。按键分别对应晾衣，收衣，上升，下降，伸出，收回等功能，当用户按下相应按键时，单片机就会接收到相应信号，从而发出指令实现该功能。同时，液晶显示屏会对当前系统的状态进行显示，以便人们更直观地观察到智能衣架的运行状态。

3 智能晾衣架系统设计与实现

3.1 主控芯片介绍

STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是集高速，低功耗，超强抗干扰等特点于一身的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度比传统8051快8～12 倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换。

3.2 环境感知部分

3.2.1 光照强度检测单元设计

考虑采集到的数据精度，文中选用NHZD10光照传感器。NHZD10光照传感器采用进口专用照度传感核心，光学材料窗口，铝合金壳体结构，具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。可广泛用于环境、温室、实验室、养殖、建筑、高档楼宇、工业厂房等各类室内外光线强度测量。技术参数见表1所列，实物如图2所示，光照传感器电路原理图如图3所示。集成运放A2采用LM324，它构成了电压比较器电路。调节电位器R使在阴天情况下，集成运放A2输出高电平；当太阳光照到光敏元件NHZD10时，集成运放A2输出低电平。

考虑到使用的光照传感器自带AD接口，单片机自带2路AD功能，而光照强度的转化使用了单片机的AD转化功能，因此将采集的光照强度的模拟量通过AD转化为数字量，从而对光照强度值进行判断。

当ADRJ=0时，如果取10位结果，则按式（1）计算：

其中，Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，将单片机工作电压作为模拟参考电压。

文中使用通道0作为AD的输入端口， 360个时钟周期转换一次，由于使用的光照传感器量程为0～200 000 lux，AD采用10位转换，故每一格代表200 000/（210）=195，光照强度值由195×AD得到。

3.2.2 雨水检测单元设计

雨水检测使用了雨量传感器，雨量传感器参数见表2所列，实物如图4所示。

传感器的集成运放Al采用LM324，其构成了电压比较器电路，其原理图如图5所示。当没有雨滴落在由敷铜板做成的传感器上时，集成运放A1输出高电平；当雨滴落在由敷铜板做成的传感器上时，集成运放A1输出低电平。此时，单片机AD模块可以通过测得的不同水量得到不同的电压，当单片机接收到电压变化过大的信号时，就会发出指令使衣服收回。雨量传感器工作原理和光照传感器的工作原理相似，通过通道1进行AD转换，利用公式（1）进行AD计算。

3.2.3 电机驱动模块设计及电机选择

通过对市面上主流的电机驱动芯片进行分析，文中选择L298N电机驱动模块[8]。L298N具有驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强等特点，使用大容量滤波电容，续流保护二极管，可提高其可靠性。L298N参数见表3所列，实物图如图6所示。

L298N电机驱动模块可以同时驱动两个直流电机。但由于系统只用L298N驱动一个电机，因此文中只介绍驱动一个电机的原理。OUT1和OUT2分别接电机的两个端口以驱动电机。IN1和IN2分别控制电机的正转和反转，当光照强度高于预设值时，IN1处于低电平，电机正转；当雨量大于预设值时，IN2处于低电平，电机反转。电机正反转控制电路如图7所示。L298N有两个电源端口，分别为12 V和5 V，12 V接入外部电源，5V接入单片机。当外部电源供电时，电机只能按照预设方向转动，只有当外部电源和单片机同时开启时，才能控制电机的转动方向。

考虑到晾衣架的驱动需要大扭矩电机，因此选择直流减速电机。直流减速电机即齿轮减速电机，在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱可提供较低的转速与较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可提供不同的转速和力矩。此举大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。图8所示为选择的直流减速电机实物图。

在某些特殊情况下，需要控制衣物收回的速度，因此要求电机的转速可变，故通过PWM信号控制直流电动机的转速 [9，10]。PWM控制方式是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需波形，即在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的波形如图9所示。

由波形图可得，在一个脉冲周期T内的平均电压Ua可由公式（2）计算：

式中，Up为脉冲幅值。我们通过改变脉冲信号中高电平所占的比例，就能改变驱动电动机的平均电压，从而达到电动机调速的目的。因此，我们设计了基于PWM原理的H型桥式驱动电路并通过按键控制占空比。PWM电路由复合体管组成的H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组，根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起到防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大。控制系统电压统一为5 V电源，当复合管基极由控制系统直接控制时，控制电压最高为5 V，加之晶体管自身压降，加到电动机两端的电压约为4 V，严重减弱了电动机的驱动力。基于以上考虑，文中采用TLP521-2光耦集成块将控制部分与电动机的驱动部分隔离，在输入端各通过一个晶体管增大光耦的驱动电流。PWM控制直流电机转速原理图如图10所示。

3.3 无线通讯部分

3.3.1 蓝牙通讯

使用蓝牙通讯能够近距离通过蓝牙设备控制电机的正反转，实现晾衣架伸缩的目的，大大增加了系统的可操作性和方便性[11，12]。HC-06是主从一体化的蓝牙串口模块，首先将HC-06与单片机连接，然后与手机配对，配對成功后手机发送AT指令给蓝牙模块，单片机通过判断接收到的AT指令控制系统运行。单片机与蓝牙之间通过串口通信和外部中断接收数据，当接收到的数据为01时，电机正转；当接收到的数据为02时，电机反转；当接收到的数据为03时，电机停止转动。

此外，通过蓝牙串口通信App[13]可随时观察蓝牙设备与手机的连接情况和接收到的数据。

3.3.2 GSM通讯

GSM通信使用SIM900A接收手机发送的短信，然后将指令传输给STC12C5A60S2芯片，从而实现晾衣架的远程控制。SIM900A实物图如图11所示，与控制器的连接如图12所示。

软件控制流程为SIM900A无线通讯模块接收到外来短信后，将指令发送给STC12C5A60S2主控芯片，单片机通过判断发送过来的指令控制电机的正反转从而实现晾衣架的伸缩功能。主程序流程如图13所示。

3.4 机械结构部分

机械结构[14，15]是使晾衣架能够自动伸缩的传动装置，当单片机接收到指令时，电机就会转动，从而带动机械部分把晾衣架收回及晾出。机械结构通过UG NX10.0设计，由剪叉式伸缩杆、支撑底座、内部机械结构组成，光照传感器、雨量传感器、单片机和三个直流电机均设置在机械箱内。机械结构3D示意图如图14所示。

在机械箱的一个侧面设置凹槽，凹槽内设置一个滑槽，剪叉式伸缩结构通过螺栓连接在滑槽内，机械箱内设置有滑块、螺纹杆和直流电机，通过直流电机的转动带动螺纹杆转动，从而带动与滑块连接的剪叉式伸缩结构横向伸缩。在晾衣架外部设有传感器，当光照传感器读取到的光照强度高于预设值时，单片机执行晾衣指令，即发出指令使三个直流电机正转，一个直流电机的转动带动剪叉式升降结构从下部滑轨和上部滑轨组成的长方体结构中伸展开，另一个直流电机的转动带动剪叉式伸缩结构伸出从而使整个晾衣架伸展开，达到晾衣的目的。当雨量传感器获取的雨量值大于预设值时，单片机执行收衣指令，即发出指令使三个直流电机反转，一个直流电机的转动带动剪叉式升降结构收缩回下部滑轨和上部滑轨组成的长方体结构中，另一个直流电机的转动带动剪叉式伸缩结构收缩回机械箱中，从而使整个晾衣架收缩，达到收衣的目的。

3.5 安卓App设计部分

为了加强该智能晾衣架的可操作性，我们给系统设计了手机App，近距离时，用户可通过App对系统进行控制。App基于Android 4.0系统，采用Eclipse集成开发环境，借助Eclipse平台，在Layout文件中采用相对布局的方式设计完成软件界面。界面内容如图15所示。用户通过输入用户名和密码登录后，可以选择功能，调整参数设置以对感应的光照强度值进行调整，设备管理可对系统进行开机和关机控制，操作指南对系统的使用进行说明。控制界面分为蓝牙和SIM900A两部分，打开蓝牙后，用户可通过蓝牙对系统进行近距离控制；进入SIM900A后，用户可通过发送短信的方式对系统进行远距离控制。此外，还可以通过按返回按钮回到初始界面继续对系统进行操作。

4 结语

本文针对现有传统晾衣架，设计了一款基于单片机控制的智能晾衣架，通过判断光照强度和雨量大小对电机进行控制，从而带动机械结构的工作以达到晾晒衣物的目的。此外，可通过手机连接蓝牙模块实现远程控制。

在未来的工作中，我们将继续对机械结构进行改进，并增加WiFi控制等功能，以使我们的系统更加完善，便于使用。

参考文献

[1]李素云，覃若寶.基于多传感器的智能晾衣架设计[J].山东工业技术，2016（3）：128.

[2]吴晓，周建平，梁楚华，等.物联网技术在智能家居中的应用研究[J].物联网技术， 2012，2（11）：71-73.

[3]林舜杰.晾衣架智能控制的研究与实现[J].电子技术与软件工程，2016（13）：149.

[4]李书鹏，杨侠，王振超，等.智能晾晒系统设计[J].装备制造技术，2016（2）：224-226，233.

[5]李东亚，张洁峰.可伸缩式自动晾衣架的系统设计[J].机电工程技术， 2015（1）：60-62.

[6]刘星.基于蓝牙和单片机的智能家居控制系统设计[J].电子技术，2013（11）：46-48.

[7]刘凯，万在红，张雨晨，等.基于GSM的智能晾衣架[J].电子设计工程，2014，22（17）：172-174，178.

[8]张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J]. 工业设计，2011（3）：94-95.