基于物联网的可升降鞋柜设计及实现

李成凤，况春华，张阳伟，唐 珊

随着智能家具概念的提出，家居电器智能化、人性化、便捷化已成为国内外家具行业兴起的新指标，智能鞋柜作为智能家具大家族的一员，其设计与研发已逐渐成为市场所趋.然而，尽管市场上已经出现了一些具备杀菌除臭、防霉祛湿等基本功能的智能鞋柜［1］，但现有的智能鞋柜产品仍存在一些需要解决的问题：①鞋柜功能单一.目前的多功能鞋柜一般只能对鞋进行杀菌、除臭及烘干等操作［2-8］，其功能仍相对单一，不能满足实际需求.②无法实现远程监控.智能鞋柜系统独立运行，与PC 或手机客户端无数据交互，无法远程控制和查看鞋柜状态信息，无法实现远程控制［9-11］.③操作过程繁琐.多功能鞋柜与一般的储存用鞋柜分离，对鞋进行处理时，须先将鞋从储存柜中取出，然后放入多功能鞋柜，待鞋处理完毕后再将鞋放入储存柜，其过程繁琐，增加了鞋的存放和保养的难度.④查找困难、存取不便［12-13］.为增大鞋柜容量、提高空间利用率，通常会将鞋柜做得很高，以实现将更多的鞋子存放在同一个鞋柜内，但要在存储鞋子数量较多的鞋柜中查找所需的鞋子却比较困难，而且过高的鞋柜也不方便存取鞋子.

本文结合现代电子技术、物联网技术、机械设计制造和智能家居模式设计出一种容量大，结构合理，并且具有自动输送鞋子功能以及鞋子养护功能的新型鞋柜.

1 鞋柜总体设计

设计提出了一种基于物联网技术的智能升降鞋柜的解决方案，依托手机端的APP 远程操作，控制鞋柜内鞋架自动升降，实现指定选取.智能鞋柜升降系统的设计由鞋柜终端和远程控制端两部分组成，其中，鞋柜终端以STM32 核心处理器为控制器，通过传感器的信息采集、处理器的处理、驱动电路的驱动，以及垂直机械结构的传动，达到鞋盒自动的垂直循环移动、出鞋、杀菌除臭、烘干、报警及语音提示等功能；受物联网技术启发，远程控制端主要运用智能手机安卓APP 技术进行设计，并使用蓝牙技术与终端连接进行数据交互.APP 与立体垂直循环机械结构的组合改变了人们传统的储物理念，解决了传统储存方式存在的空间浪费问题，同时也避免了存取过程的繁琐操作，其设计框图如图1 所示.

图1 模块设计框图

2 鞋柜结构设计

首先，针对鞋柜空间资源浪费严重、鞋子摆放杂乱的问题，采用德国立体车库的设计思想［14-16］进行鞋柜的机械结构设计，实现立体垂直循环存储，从而提高鞋柜内空间利用率，方便用户存取.鞋柜终端整体结构示意图如图2 所示.从图2 中可以看出，在牵引件链条上，每隔一段距离安装一个鞋盒，通过步进电机传动机构，鞋盒可以随链条一起做垂直循环运动，并经最短路径运动到出鞋口自动出鞋.其次，针对鞋柜存在的易发霉、滋生细菌等健康隐患问题，在鞋柜的中部及四角安装温湿度、气体传感器检测模块，在鞋柜的顶部安装杀菌除臭、祛湿防霉模块，各个模块在安装于鞋柜底部的处理器的控制下，能够有效响应用户指令，并对鞋柜整体环境进行调控.

图2 终端整体结构

3 鞋柜终端软硬件设计

3.1 鞋柜终端硬件设计

受室内环境不稳定因素的影响，鞋柜环境是动态变化的，鞋柜终端需要使用各传感器模块对环境的温湿度、污染气体浓度进行采集，利用各执行模块实现杀菌除臭、防潮除湿及显示功能，并用通信模块实现鞋柜终端与APP 客户端的通信.整体的硬件电路图如图3 所示.

图3 整体硬件电路

①温湿度数据采集模块.系统采用DHT11数字温湿度传感器模块实现鞋柜内温度的采集，监控鞋柜内环境温度为15～25 ℃、湿度低于60%，能够有效抑制霉菌生长，且在天凉时人们穿鞋也更舒服.②杀菌除臭模块.鞋柜定时开启紫外线臭氧灯，穿透鞋中细菌的细胞膜，破环其DNA 等遗传物质，使其不能生长繁殖，进而达到杀菌的效果.③防潮除湿模块.鞋柜中安装的电热丝和风扇与处理器、温湿度传感器构成闭环调节系统，将鞋柜的整体环境的温湿度稳定在合适的范围内.④终端显示模块.鞋柜终端采用OLED 屏显示鞋柜环境数据信息及储存情况，通过IIC 总线与主控制器进行数据传送，便于使用者了解鞋柜内状态.⑤通信模块.由于整体系统数据量大且对数据保真要求高，通信模块选用传送数据快且丢包率低的HC-05 蓝牙模块，实现鞋柜终端与用户端的数据交互.

3.2 鞋柜终端软件设计

鞋柜终端的主流程设计如图4 所示.鞋柜终端上电后，系统进行初始化，中心处理器处于命令等候状态，用户指令优先处理，判断手机APP 是否有命令请求，若有则进行命令响应，例如若接到用户端通过APP 发来选取鞋子的命令，系统则立即停止保持环境状态稳定功能，并立即解析出所选定鞋的确定位置，通过内部数学运算得出升降的最短距离，并依据步进电机的步距角，利用处理器发出脉冲的数量来控制电机转动的距离，结合齿轮链式结构实现鞋盒分区的精确循环移动，从而将指定鞋盒移动到出口处.若没有命令请求，则检测鞋柜内是否有鞋，若否，则返回等待命令，若是，则检测相关指标是否正常，若正常则关闭相应功能模块，OLED 屏显示相应信息，否则将运行相应功能模块后继续检测相关指标是否正常.因室内环境不稳定，鞋柜终端需实时检测鞋柜内的温湿度和空气质量等指标，连续检测得到20 组数据，每次检测间隔3 s.处理器将20 组数据的平均值与用户设定值进行对比，并做出相应的调节指令，使鞋柜环境保持在相对稳定状态.

图4 主流程图

按照上述设计思想完成了带有6 个鞋盒的立体升降鞋柜，实物内部结构如图5 所示.

图5 鞋柜内部结构图

4 用户端手机APP 设计及测试

用户通过蓝牙模块实现手机APP 与鞋柜终端的连接后，鞋柜终端中鞋子的相关信息将自动更新到APP 数据库中.为了方便用户的使用，用户打开APP 登录后，在APP 的主功能界面显示来自服务器的鞋柜分区状态信息.用户存鞋时，鞋柜终端通过蓝牙模块接收用户端的存鞋命令请求，利用主控板内置算法驱动电机，选择最短路径自动将空鞋盒运送到放鞋口，待鞋子放入后将鞋盒空满状态存入flash 数据库中，同时用户将相册中相应鞋的照片上传至APP.取鞋时，用户通过APP的图片浏览界面浏览所存鞋的信息进行选鞋，系统选择最短的路径自动将对应鞋盒运送到出鞋口，并更新数据库.

按照上述设计思想，所设计的手机APP主界面如图6 所示，选择家用存取即可进入鞋柜管理员登录界面，如图7 所示.

登录成功进入鞋柜信息显示界面如图8所示，显示了鞋盒总数6、空盒数及满盒数.图9 为通过图片浏览进行存取鞋的界面，当前显示第一个鞋盒中的鞋照片，若要存取鞋单击打开按钮，从照片右下角看出该鞋已被成功取出，若要上传相应鞋的照片则单击编辑按钮，即进入图10 所示的照片上传界面.

图6 手机APP 主界面

图7 管理员登录界面

图8 手机APP 鞋柜信息显示界面

图9 手机APP 存取鞋界面

图10 上传照片界面

另外，采用单一变量原则分别对智能可升降鞋柜的除湿、除臭功能、存取鞋时间进行测试：鞋柜在上电4～8 min 内环境温湿度及臭味气体浓度稳定在合适范围内；与传统鞋柜存取鞋相比，利用APP 和鞋柜终端完成存取鞋所用时间明显减少，存取鞋更为方便.

5 结语

本文设计了一种通过手机APP 控制的自动升降智能鞋柜，实现了远程选鞋、自动出鞋、快捷存鞋、杀菌除臭、除湿防霉、自动报警和语音提示等功能，有效解决了传统鞋柜取鞋不方便、存储容量小的问题，并且改善了鞋柜内的存储环境.