SmartCeiling智能家居系统

崔育杰，许秋荻，陈治宇

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉430070）

1 研制背景及意义

如今，随着中国经济发展及城市化进程的推动，城区居住面积建成速度小于人口涌入速度，使得人均住房面积越来越小[1]，传统面积商品房不再适合人们的经济需要和实际住房需求，因此人们对于小户型房屋空间设计有了更加多样化的诉求[2]。

现代家居设计更加强调“以人为本”的设计思想，注重提高住宅的舒适性、多样性、适应性及空间的利用率。其家居设计的好坏将直接影响人们的生活品质。与此同时，智能化、个性化、多功能化的家居理念逐步得到了大众的认可与喜爱[3]。在现有的装修设计中，为解决储物难问题，嵌入式的家居设计出现在世人眼前，以墙代柜的巧妙构思深受人们的欢迎[4]，但这些设计均为平面化家居设计，立体化家居设计尚处于空白。根据上述背景，本项目从房屋结构的兼容性、用户的使用体验以及智能技术的利用3个方面进行展开，设计了一套智能化的天花板家居系统。

2 项目的创新之处

项目的创新之处主要有：①智能天花板家居系统突破了传统设计思路，以天花板为载体，充分利用房屋上层空间；②将平面化家居设计转变为立体化家居设计，构成家居设计新理念；③促进智能家居与用户的交互，实现多功能、多模式、个性化的家居设计；④合理机构组合设计实现家居不同模式和功能的切换，满足人们多样化的住宅需求。

3 项目的研究内容和研究目标

本项目旨在提供一种全自动控制智能天花板系统，本项目的研究意义在于：①该系统提出了新的设计理念，将现有的平面化设计转变为立体化的家居设计；②本项目是以天花板为载体，将家居与天花板相契合，打造出多模式、多元化的家居功能；③通过利用目前家居设计所忽视房屋上层空间，更进一步提升了房屋空间利用率，以此来解决家庭普遍存在的储物难问题；④本项目结合智能家居发展大趋势，改变传统设计观念，自主创新打造智能化的家居系统，非常具有时代特征和现实意义。

4 项目方案设计

智能天花板家居系统采用全自动控制，以天花板为载体，结合家具的智能升降，实现立体化家居设计，充分利用室内的立体空间，解决小面积住户空间小、储物难等问题。

未来的智能家居设计应当以人为本，本方案结合现有家居布置的特点，从竖直升降、水平翻转2个维度进行思考，最大化利用天花板面积，同时方便住户进行一系列居家活动。智能天花板引入先进技术和设备，实现家庭智能语音控制、智能灯光控制、停电自锁、断电手动以及记忆功能等。智能天花板家居系统功能部分示意图如图1所示。智能天花板设计理念如图2所示。

4.1 客厅场景模式设计

根据客厅的实际功能需求，对现有客厅环境布置进行具体分析，客厅设计主要包含以下3种模式：客餐厅模式、观影模式、鞋柜收纳。根据人的实际需要使空间得到立体化应用。

4.1.1 鞋柜收纳

无需使用时，鞋柜呈水平状态嵌于天花板内；使用时，通过平面导向连杆的配合，使得鞋柜翻转下降，鞋柜下降到适宜的高度，同时柜门由向上转变为向前，方便人进行存取动作。存取完成后，鞋柜升至天花板储藏，不占用地面空间。

鞋柜相邻柜格之间间距较短，一般为鞋体高度，鞋柜90°翻转过程中，内部所储存的鞋体基本不会出现翻倒情况，保障人的正常使用。

4.1.2 健身模式

客厅主体为放置于中央的茶几，平时茶几可用于放置茶杯、果盘等日常用品，也让客厅装修整体更加和谐。但茶几占据了客厅较大一部分地面空间，限制了人们的活动。

本装置利用可自动脱合的升降带将茶几升至天花板上，下方空间可铺上瑜伽垫，或者直接利用地毯进行健身等日常活动；另外，茶几上升后，可为孩子们提供一个更宽敞、更安全的休闲娱乐空间。

4.1.3 客餐厅模式

利用可自动脱合的升降带将茶几重新放置于地板上，茶几采用市面常见的多功能升降茶几，自身可在茶几及餐桌状态进行切换，快速实现客厅餐厅转换。为小面积住户提供极大的方便。

4.1.4 观影模式

无需使用时，电视机或投影屏嵌于天花板内；开启后，通过平面连杆机构及直线电机分别控制电视机或投影屏的角度及高度，提升观影舒适度，同时天花板上安装的音响装置暴露出来。繁重的家庭影音设备安装于天花板上，充分节省了室内空间，且住户可根据自身喜好调节投影屏或电视机的高度及角度，提高了人们在观影时的舒适感。

4.2 卧室场景模式设计

根据消费者的不同需求，综合考虑卧室场景实用性以及用户舒适度等多方面条件，将卧室设计分为书房模式、睡眠模式、梳妆模式3种模式。不仅节省了空间，同时可实现卧室根据不同时间、不同用户需求在3种模式之间的自由变换。进而适应小户型住户的不同需求，增大卧室活动空间的同时获得更佳的家居体验。

4.2.1 工作模式

在工作模式下，床与梳妆台保持在天花板高度。书架通过采用L形轨道机构，实现工作模式下书架的横纵向转换以及高度调节，即书架可实现由天花板上的横向收纳切换为墙面上的竖直排列，同时，书架在竖直方向上高度可调节。书桌通过采用丝杆升降机构，实现书房模式下书桌从天花板高度下降至相应工作高度。

书房模式可适应用户居家工作或学习的情况，在合理利用卧室空间以及天花板面积的同时，也使书房模式下的卧室更加简洁美观，提高工作效率。

4.2.2 睡眠模式

在卧室睡眠模式下，书架与书桌自动运动至天花板高度，床同样通过采用丝杆升降机构，实现床由天花板高度下降到地面高度的运动。同时，睡眠模式下智能控制机构控制窗帘自动关闭，并控制卧室灯灯光由亮渐渐变暗。

睡眠模式在节约卧室空间的同时充分考虑了小户型住户居家睡眠多方面的的舒适性，有助于提高用户睡眠质量。

4.2.3 梳妆模式

睡眠模式调节为梳妆模式，梳妆台同样通过双轴电机带动两端钢丝通过定滑轮实现直线升降，实现梳妆台由天花板高度下降到地面高度的运动。同时，梳妆模式下智能控制机构控制窗帘自动打开，卧室灯根据环境亮度自动调节灯光亮度。

梳妆模式可适合用户梳妆的情况，在节约卧室储物空间的同时，便于对梳妆相关用品的归纳整合。

4.3 厨房场景模式设计

厨房储物柜通过采用L形轨道机构，实现厨房储物柜的横纵向转换以及高度调节，即厨房储物柜可实现由天花板上的横向收纳切换为墙面上的竖直排列。同时，厨房储物柜在竖直方向上高度可调节。

厨房储物柜在竖直排列状态下便于用户取用物品，在天花板上的横向收纳状态下灶台空出的面积可留作放置菜肴等用途，解决了小户型厨房面积过小储物空间不足的问题。

4.4 卫生间场景模式设计

针对小户型卫生间面积较小的问题，考虑到用户洗浴和如厕等多方面需求以及用户舒适度和场景实用性。将卫生间设计分为洗浴模式和如厕模式2种模式。在保证卫生间功能的前提下节约空间，使卫生间更加简洁美观。

4.4.1 洗浴模式

在洗浴模式下，通过丝杆升降机构，实现卫生间活动天花板的升降，安装在活动天花板上的折叠浴缸以及沐浴花洒随之下降到适宜高度。浴缸的给排水管道采用快捷接头，浴缸下降至一定高度，则壁面管道与浴缸管道无缝接合，解决升降浴缸的出入水问题。

4.4.2 如厕模式

在如厕模式下，安装有折叠浴缸及沐浴花洒的天花板上升至顶端。此模式下用户可正常使用马桶及洗手台。洗浴模块与如厕模块的分离设计实现了卫生间的干湿分离。

5 项目的研究基础和可行性分析

5.1 控制系统设计

该装置的控制系统是以智能化为前提，为保证装置在工作状态下的稳定性和可靠性，设计了合理的控制系统。将整体装置分为2个子系统，每个子系统包含多个模块，其中包括客厅投影屏丝杆步进电机模块、茶几转轴减速步进电机模块和安全装置推拉式电磁体部分等。该系统以PLC为控制核心，通过多路步进电机控制器来控制丝杆步进电机和减速步进电机的运作来实现丝杆升降、电磁铁推拉机构等运动。

对于整体装置控制部分，以电机为类分别建立了几个模式。将客厅中鞋柜和投影屏中的丝杆步进电机归为一类，利用丝杆步进电机进行升降。将卧室中床和梳妆台中的丝杆步进电机归为一类，利用丝杆步进电机进行升降。整体系统控制流程如图3所示。

5.1.1 推拉式电磁铁控制部分

推拉式电磁铁的性能强弱是由线圈的匝数的多少来决定的。它应用了螺旋管的漏磁通原理，结构牢固，利用电磁铁动铁芯和静铁心长距离吸合，行程可以达到40～50mm及以上。为实现牵引杆的直线往复运动，采用电源加电控转换，大功率启动，小功率维持的原理。利用推拉式电磁铁可靠的固定特性和稳定的移动方式，应用在茶几的安全装置中。将茶几上的4块电磁铁一起通过电流控制板串联到客厅的主控制板中，通过调节电磁铁的电流来控制拉杆的推拉实现安全卡扣的开合。

5.1.2 步进电机控制

图4为步进电机的驱动电路图，其中步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。通过控制板控制步进电机驱动器来控制步进电机，具体可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。

图4 步进电机的驱动电路图

5.1.3 三菱FX2N-48MT

本项目用梯形图进行编程，通过PLC实现对电机、步进电机、电动推杆等驱动，并加上限位开关和光电开关控制行程。由于PLC的可靠性和令人放心的高性能、高速运算，在实际中也可以放心应用。

5.2 总体尺寸设计

根据国家统计局的《人民生活实现历史性跨越 阔步迈向全面小康——新中国成立70周年经济社会发展成就系列报告之十四》中指出2018年城镇居民人均住房建筑面积达到39.0m2。以一户70m2户型的双人住房为例，卧室拟定为3.0m×4.0m，客厅拟定为5.0m×4.0m。相关文献表明，该设计符合最佳客卧面积比例。

参考相关文献，拟设计的住房净高2.7m，顶部系列机构拟定0.3m的工作范围，其高度为3.0m，满足现今建筑设计要求。本项目中，以模型的形式对构型进行缩小制作，以客厅卧室为表现主体，展现项目主要设计。模型设计的总体尺寸为1570mm×800mm×630mm。

智能天花板家居的设计是一个多模块分散式的设计，以不同机构组合形式对不同适度的家居进行设计，在不影响现在家居体系的设计下，实现家居的升降改造，并通过控制模式的协调，实现不同家具在不同模式下的不同功能，以实现单独空间的重复利用。本产品的尺寸根据人机工程学与常用家居尺寸进行设计，在机构运动和力学分析的基础上，符合安全标准。