家用智能多方位清洗式鞋柜设计

海翔宇 杨宛萤 黄 韬 马泽宇

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

随着全球病毒滋生蔓延，人们越来越重视家居环境卫生，家庭使用的鞋柜尤其需要满足日常清洁和突发疫情防范等要求。鞋柜在智能家居和AIoT 的热潮下被重新定义，人工智能和物联网结合后，赋予鞋柜的将不仅仅是功能上的多样性，还有基于算法和智能互联带来的一系列交互体验，鞋柜等家居产品都将变得越来越智能化、人性化[1]。传统的鞋柜功能单一，远远无法满足现代社会环境下疫情防控、日常清洁、智能操控、实时交互等需求[2]。随着足部医疗护理及卫生防控的需求增加，不仅家庭需要，医院、游泳馆等公共场所也亟需更适合大众需求的多功能智能鞋柜，而且消费水平地提升使鞋类价值上涨，高档鞋子的清洁保养不可忽视，智能鞋柜市场前景十分广阔[3]。

该研究旨在设计一种将清洁擦拭、照明、通风、烘干、杀菌消毒、智能监测等功能集于一体的智能鞋柜。除了基本的使用功能外，还能结合多种传感器进行清洗状态的实时监测和居家异常状况的自动报警，使鞋柜在储存鞋的同时能有效杀灭细菌病毒，预防疾病。实时数据交互带给用户更加安全舒适和智能化的体验，从而提高人们的生活水平，满足用户出差归家和居家生活等多种场景需要[4-5]。考虑到现有市场对鞋柜的需求，该设计将设计重点放在实现鞋柜的智能化上，对传统鞋柜进行结构改造和功能升级，采用创新的清洗方法和机械结构、嵌入式控制设备、多种传感系统、人机交互界面等实现智能化一键式管理。

1 原理设计

家用多方位清洗式鞋柜提供了清洁擦拭、照明、通风、烘干、杀菌消毒等一站式人性化设计，并采用智能化控制的方式，使整个鞋柜各个功能的实现都能一键管理。加入能自主选择鞋子清洗位置的控制与传感系统，让鞋子的清洗过程更加智能，有效弥补了现有市场的空白。参照中央空调的原理对鞋柜通风系统进行创新设计，将消毒、杀菌、清洗装置一起设立在一个装置中，这样既节省了空间也节约了成本，解决了多数现有智能鞋柜密不透风或通风不够流畅、容易滋生细菌等问题。利用电热丝发热烘干鞋子，有效祛湿，防止雨雪天气使鞋子潮湿，产生霉变。

2 清洗机械结计

智能多方位清洗式鞋柜底座顶部固定设有清洗箱，清洗箱底部两侧通过水管连接水泵，水泵固定设置在清洗箱两侧，水泵顶部出水端通过水管连接金属管，金属管水平固定在清洗箱内腔顶部，而金属管底部设有等距固定的喷头，液压伸缩杆可以控制鞋模左右移动，鞋模可以对需要清洗的鞋子进行固定，驱动电机可以通过第一皮带轮带动清洗带旋转，清洗带表面的刷丝可以对鞋模上鞋子的鞋底进行清扫，水泵把清洗箱内腔底部的清洗液输送到金属管，再从喷头喷出，可以对鞋底进行清洗，过滤网可以对清洗液中的垃圾进行过滤，可以实现清洗液的循环利用，清洗机构机械示意图如图1 所示。

图1 智能鞋柜的机械示意图

鞋柜采用格档设计，上面2 层储放干净鞋，下面2 层储放待洗鞋，当装置启动时，传送带会开始工作，按照规划好的顺序和时间，将要清洗的鞋子传送到清洗装置中。待清洗工作完成后，鞋子会从右边传送出去，随着升降装置上升到上面2 层，并且按规划完的顺序排好，实现全自动智能规划路径，大大减少了人力的使用，并且实现了一次性清洁多双鞋的效果。

考虑到脏鞋子在导轨上运行时会对导轨造成污染，因此在导轨下也装配了导轨清洗装置，脏鞋子对导轨造成的污染会在清洁装置的作用下流入污物收集装置，鞋子清洗造成的污染同样汇集在这里。为了更好地方便消费者使用，将收集装置设计成抽屉式，能实现更方便地推拉、倾倒处理。为了更好地提高收集装置的稳定性，还在后面加入了卡扣装置，使其不易脱离。

3 杀菌除臭系统设计

杀菌除臭系统主要利用紫外线灯和臭氧气体给鞋子杀菌消毒，以此来杀灭细菌，防止疾病传播。在臭氧发生器的选型上，根据臭氧产量、臭氧浓度、可靠性使用寿命等因素，选定一款合适的臭氧发生器，在功耗方面，由于鞋柜属于小型家用电器，因此选用较小功率的臭氧发生器即可。因为环境要求较高，所以优先选用低功率型紫外线灯以避免造成光污染。当用户发出遥控消毒指令后，多功能鞋柜接收到信号，经振荡电路对信号进行滤波处理后，再经功率放大器件驱动除菌灯和臭氧发生器工作，实现鞋子的全方位消毒杀菌。杀菌除臭系统控制流程图如图2 所示。

图2 杀菌除臭控制流程图

4 系统软件设计

4.1 加热除湿程序设计

在加热除湿的程序设计上，由于系统需要达到用户设定的温度和湿度并且保证最大化节能，因此，使用增量式PID 算法对系统进行控制，而且加热器本身为惯性系统，其公式如式（1）所示。

式中：e[n-1]为上一次偏差，e[n-2]为上上次偏差，为上一次累计误差之和，T 为采样周期，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，Kp为比例常数。

式中：u[n-1]为上一次的输出量，u[n]该次输出量，得到的公式如公式（3）所示。

当时间达到用户所设定的定时加热除湿时间时，系统自动启动开始工作，达到用户设定的加热除湿时间后停止工作。具体的操作方法为取当前温度与设定的目标温度的差作为偏差Ke，并跟随系统周期迭代更新，得到偏差组Ke[n]，其中包括了想要记录的最近的一系列历史偏差，带入增量式PID 公式即可得到对应的输出量，将输出的数字量累加后，用单片机以PWM 波的形式发送给加热器的控制器，即可完成对加热除湿器的控制。在调试该PID 参数时要特别注意该模型的惯性，即应在即将达到预设温度时就停止加热，用余温加热而不是在温度达到后再停止加热，以此来节省电量，因此需仔细调整该惯性PID 系统的参数。

4.2 杀菌除臭程序设计

在杀菌除臭方面采用杀菌除臭模块，通过继电器控制，程序上单片机循环扫描用户指令，利用I/O 输出高低电平，配合定时器实现除菌灯和臭氧发生器的启停控制。通过空气状况测量装置实时监测鞋柜内的空气状况，确保鞋柜内的空气质量。另外还需要使用臭氧浓度传感器检测鞋柜内外的臭氧浓度，以避免造成臭氧泄露。

5 结语

该文提出的家用智能多方位清洗式鞋柜除了具有清洗、消毒杀菌、烘干等全方位功能外，还增加了清洗状态检测、异常状态报警等创新功能。在人机交互性方面，可与人进行实时数据反馈。使用者还可以通过鞋柜触控设备选择和设置清洗模式，自定义模式提高了鞋柜的个性化水平。同时该产品结构设计直观，操作便捷，具有一定的自清理功能，解决了现有鞋柜密不透风、容易滋生细菌、智能化及人性化程度低等问题，满足了人们对家具的智能化和人性化需求，有一定的创新意义和市场空间。