基于Arduino的智能避雨晾衣系统设计

刘春龙

晾衣杆作为人们每天使用的家居用品，是大多数家庭的生活必需品，晾衣杆从开发至今技术不断改进和变革，但是一直没有出现全自动化的晾衣杆。

目前使用的晾衣装置存在许多不便之处，市场上现有的自动晾衣机只能提供垂直升、降操作，而且需要通过红外遥控，控制遥控操控距离十分有限，距离需小于10米，且需要人为操作，时空限制大，无法直接解决出门在外导致的时间和空间受限的问题。于是，我们设计了一种能自动感应，并判断天气从而进行自动控制的晾衣架。

一、整体方案

与一般的晾衣杆相比，基于Arduino的智能避雨晾衣杆主要在控制器与机械结构上有较大改进。该系统主要由中央控制系统、数据收集系统和衣物收放系统组成。DHT11温湿度传感器和雨滴传感器作为数据收集系统实时采集环境中的湿度和降雨量，并将数据转换成数字信号和模拟信号实时地输送给中央控制系统。同时，中央控制系统将收集到的数据进行处理，判断周围环境如果为下雨状态，则控制下级传动系统即衣物收放系统进行避雨动作。另外，中央控制系统还对传感器等各类元器件进行供电。衣物收放系统主要由两个X型伸缩结构和两个推杆电机组成，电机接收控制器Arduino的信号，执行指令使晾衣杆实现横向与纵向拉伸，以实现对衣物的收与放。系统功能构成图如图1所示。

二、硬件组成

该智能晾衣杆的目的是为了实现晾衣杆的自动避雨功能，能够智能判断是否下雨，而且无需人为干预便可自动实现避雨功能的一套系统，适用于家用晾衣和宿舍晾衣等，消除降雨对衣物的影响。

本产品系统由Arduino单片机、5V直流电源、三色LED灯、按键、DHT11温湿度传感器、雨滴传感器、推杆电机、X形伸缩结构等组成。

本产品系统由三大部分组成：中央控制系统、数据收集系统、衣物收放系统。

1.中央控制系统

以Arduino为主控芯片，配合SensorShieldV5.0拓展模块实现对各种传感器和元器件的有效连接。其中包括数据处理系统、辅助操作系统、设备管理系统和供电系统。中央控制系统具备以下基本功能。

（1）数据处理系统

数据收集系统会实时向中央控制中心上传所收集的信息，中央控制系统的Arduino芯片是用于存储创作编写的一套程序，程序会将这些数据进行筛选，并且通过已编写的程序进行合理的计算，判断外界环境是否下雨。

（2）辅助操作系统

在中央控制系统中，有三色LED灯，可根据灯颜色的变化，判断该系统的工作状态。还可根据传感器对应的LED灯判断该传感器是否处于正常工作状态。

（3）设备管理系统

对衣物收放系统等下级控制设备进行管理。通过向下级系统输出控制信号，以实现对衣物的收放。

（4）供电系统

中央控制系统通过DC电源输入接口供电，接入9V层叠电池，并通过Arduino给各模块（如DHT11温湿度传感器、雨滴传感器等）通电，以保证各模块的正常运行。

2.数据收集系统

使用DHT11数字温湿度传感器对当前环境的温度和湿度进行采集，在该设计中的意义是读取湿度值，与雨滴传感器相结合能够降低该智能晾衣杆的误动率。

使用雨滴传感器对当前环境是否下雨进行数据采集，当下雨时传感器输出低电平（0），当没下雨时输出高电平（1）。当使用AO模拟量口输出时，也可对雨量大小进行采集，雨量越大数值越小。

3.衣物收放系统

衣物收放系统由两个X型伸缩结构和两个推杆电机组成。两个电机相互配合，以实现衣物收放控制。

自动晾衣架机械部分采用两个传统X型伸缩结构的结合，两个方向的伸缩架均由推杆电机控制。在不使用时，两个伸缩架均缩回，整个晾衣架在阳台顶部不占用空间。当需要挂衣物时，垂直伸缩架伸展，使晾衣架下降到人手可以直接触及的高度，无需再使用撑衣杆。当衣物挂完后，垂直伸缩架收回顶部，不占用阳台空间。同时水平伸缩架伸出，使衣物伸到阳台外受到阳光直射。衣架由推杆电机及雨滴、湿度传感器控制，可在下雨时自动收回，无须再担心衣物被雨淋湿，机械结构模型图见图2。

三、原理介绍及程序设计

1.整体原理介绍

本产品系统通过雨滴传感器与温湿度传感器传输数据作为输入信号，并将MCU控制板输出接口与机械传动信号相连接，控制机械的传动。

具体来说，雨滴传感器将通过信号线和MCU（Arduino）的模拟I/O口连接。雨滴传感器实时检测滴在雨滴检测板上的雨量大小，雨量越大传入MCU的数值越小。

DHT11温湿度传感器通过信号线和MCU（Arduino）的数字I/O口连接。传感器实时收集外界的温度与湿度，将所收集的环境温湿度以摄氏温度和相对湿度为单位，以数字形式传入MCU。

MCU将所收集的环境信息进行有效处理，当雨滴传感器传回的值小于设定值，且环境湿度大于设定值（85%）时判断环境处于下雨状态。此时，MCU马上传输避雨信号给合适的机械传动部分，实现所需的避雨功能。

系统的控制面板上方有一个三色LED灯，分别定义为手动模式（蓝）、智能模式（绿）及输出机械传动正在运行（红）。三色LED下方设置四个按键，可通过远程智能模式、手动模式等让机械实行相应的避雨传动。

2.程序设计

具体设计原理见图3。

四、具体实施方案

雨滴传感器与温湿度传感器通过感应外部因素并进行精确的分析，向传感器MCU控制器输入信号指令，传感器接收信号并输出控制推杆电机推和拉，实现自动避雨功能。

系统的运行分为智能模式和手动模式两种，智能模式是为了满足人们外出后，系统能够自动判断当前环境，在必要时通过衣物收放系统将衣物收回，而手动模式是为了方便用户收、挂衣服使用。

1.智能模式

按下智能模式按钮（指示灯由蓝转绿），进入智能判断避雨模式。

·当处于下雨状态：雨滴传感器与温湿度传感器开始工作并通过MCU控制板分析确定有雨（指示灯由绿转红），MCU传送信号给合适的机械传动部分。推杆电机实行相应的避雨传动。

·当处于无雨状态：雨滴传感器与温湿度传感器开始工作并通过MCU控制板分析确定无雨（指示灯由绿转红），MCU传送信号给合适的机械传动部分。机推杆电机实行远离遮挡物的传动。

2.手动模式

按下手动模式按钮（指示灯变为蓝色），进入手动避雨模式。

·当按下避雨按钮时，MCU传送避雨信号给合适的机械传动部分，机械实行相应的避雨传动。

·當按下远离遮挡物按钮即放出衣物时，MCU传送远离遮挡物信号给合适的机械传动部分，机械实行相应的传动。

责任编辑 陈春阳