一种落地式智能天气衣架的设计与实现

李灵翼　严建辉　马衔石　赖丽娟

一种落地式智能天气衣架的设计与实现

李灵翼严建辉马衔石赖丽娟

（华南理工大学电子与信息学院，广东 广州 510630）

为了使因环境所限需要使用落地式衣架的用户也能拥有一款智能衣架，文章提出了一种利用物联网思维对传统落地式衣架实现智能化改造的方案。利用树莓派、单片机、传感器、直流电机并通过MQTT协议实现用户远程查询信息，采用远程遥控或自动控制两种方式控制衣架的移动，实现推出和收回操作。该设计操作简单，交互良好，具有一定的推广应用前景。

落地式衣架；树莓派；物联网；MQTT协议应用

引言

随着我国互联网、智能家居产业的发展，智能家居已走进普通家庭。有很多学者对晾衣架的智能化进行了研究。衣架的智能化主要有两种实现方式，一是通过加入雨滴和光线传感器等实现衣架的智能收放[1]，二是通过蓝牙、WiFi实现远程遥控收放[2,3]。第一种设计无法实现晾衣架与用户的交互，第二种设计受限于蓝牙和WiFi的作用距离，无法实现真正意义上的远程交互。同时，多数学者[4-6]所提出的方案均是对固定的伸缩式衣架进行改造。但是，落地式晾衣架仍广泛存在于学生宿舍等不具备在窗外等地方悬挂伸缩晾衣架的场景中。落地式衣架在放置以后，若是需要移动位置则比较麻烦。尤其遇到当挂满衣服又碰上雨天需要收回的情况时极不方便。

本文开创性地提出了一种对落地式衣架的智能化改造，通过MQTT协议实现远程操控和交互，用户可以采用手动遥控或者衣架在自动模式下工作两种方式，使衣架处于合适的位置。

1　系统整体设计方案

本设计包括硬件设计、软件设计、系统测试三部分。整个系统可分为三个模块，即终端、中枢控制端、执行端。其中硬件设计主要集中于执行端，包括主控核心电路、直流电机驱动电路、超声波测距电路、蓝牙通信电路。软件设计则主要集中于终端和中枢控制端。终端负责实现和用户的交互，中枢控制端完成指令的接收、处理和下达，执行端负责具体实现用户的指令。系统整体设计框图如图1所示。

基本工作流程如下：用户在自己的终端设备（手机、平板电脑等）通过交互界面查看中枢控制端传回的环境数据，并设定衣架的工作模式（自动、手动），若用户选择手动模式，则继续设定推出模式或收回模式。中枢控制端接收到用户的指令后，进行逻辑判断，最终输出推出或者收回指令至执行端的蓝牙模块。执行端收到指令后，完成相应的动作。

图1　整体系统架构

2 硬件设计

硬件设计共分为如下模块：主控核心模块、直流电机驱动模块、超声波避障模块、蓝牙模块。本设计中的硬件部分主要存在于执行端，执行端硬件设计整体流程图如图2所示。

图2　硬件设计架构

工作流程如下：执行端的主控核心模块接收蓝牙模块传来的指令数据后，操控直流电机驱动模块驱动电机完成相应的操作。同时，衣架移动过程中，主控核心模块控制超声波避障模块工作，计算与障碍物的距离，控制直流电机在合适的距离停止，防止碰撞。

2.1　主控核心模块

主控核心模块为一块Arduino Uno R3单片机。该单片机其搭载一块ATMEGA328P-AU微处理控制器，其工作频率可以达到20 MHz，具有2 KB RAM。同时，该单片机有14个数字I/O口和6个模拟I/O口，且其工作电压为5 V～9 V。所以该单片机作为主控核心模块可以满足本设计中执行端需要的功能，同时具有元器件简单、成本低的优势。

2.2　直流电机驱动模块

直流电机驱动模块接收主控核心模块发出的控制信号，控制直流电机运转完成对衣架的驱动。该电路如图3所示，本设计中共需4个直流电机驱动模块，图3展示了其中一个。本设计中采用L298N直流电机驱动模块，该模块可同时驱动两路直流电机。其基本原理为：L298N接收主控核心模块产生的四路电平信号，L298N根据输入的信号产生对应输出，控制两路电机完成正转、反转、静止、刹车。

特别指出的是，本设计中所有的直流电机在同一时刻必定是具有同样的状态，故为了简化电路和节约主控核心模块的数字I/O口资源，每个L298N模块如图3所示，四个输入信号只由两个数字I/O口给出。

图3　直流电机驱动模块电路图

2.3　超声波模块

超声波模块仅在衣架移动时工作，其目的在于测量与移动方向障碍物之间的距离，避免碰撞。

本设计中使用HC-SR04超声波发射、接收模块，该模块探测距离范围为0.02 m～4.5 m，精度可达0.3 cm，并可在5 V电压下工作，该模块连接电路图如图4所示。其基本原理是：主控核心模块的数字I/O口输出一个持续10 μs的高电平给Trig端作为启动信号。模块检测到该启动信号之后，自动发送8组频率为40 kHz的超声波脉冲信号。同时，模块会自动检测是否有超声回波。若模块检测到有回波，便在Echo端输出一个高电平信号。该高电平信号持续的时间代表模块发出超声脉冲到接收到超声回波所经历的时间。

图4　超声波模块电路图

主控核心模块测量Echo端输出的高电平持续时间并结合声速便可根据式1测算出与障碍物的距离。式1中v代表声速，t代表Echo端高电平持续的时间，s代表与障碍物的距离。声速v，在25℃、标准大气压下可取为340 m/s。由于声速v远大于衣架的移动速度和该超声模块测距的最大有效距离，故测得距离可认为是模块发出超声脉冲时刻的瞬时距离。

s＝0.5vt （1）

2.4　蓝牙模块

蓝牙模块接收中枢控制端下达的指令。本设计中选择HC-05蓝牙模块，该模块在由3.6 V～6 V电源供电时，正常工作波特率为9600 bps。该模块基本原理为：蓝牙模块保持与中枢控制模块的蓝牙连接，接收指令。蓝牙模块的TX口连接主控核心模块的RX口，RX口连接主控核心模块的TX口。主控核心模块不停扫描串口，将蓝牙接收到的信息通过串口读入。蓝牙电路如图5所示。

图5　蓝牙模块电路

3 软件设计

落地式智能天气衣架的软件设计主要存在于终端和中枢控制端。

软件设计整体框架如图6所示。终端的软件主要完成温度、湿度信息的显示，并提供交互按钮供用户下达指令，使用户可以远程与衣架完成交互。中枢控制端的软件主要完成与用户终端的通信，获取温湿度信息、天气信息、光照强度，对信息进行综合分析，以及将综合分析的结果作为指令下达给执行端。

图6　软件设计架构

3.1　终端

终端的软件采用点灯科技有限责任公司开发的“Blinker”应用，该应用可运行于Android系统上。用户进行简单注册后，可获得一个密钥，通过该密钥便可使中枢控制端设备与终端设备建立连接。该连接采用MQTT协议，MQTT协议是一种发布—订阅的消息协议，其低消耗、带宽占用的特性使得它能在硬件性能较差的设备以及较糟糕的网络环境下运行，被广泛应用于IOT领域。

该软件的交互界面如图7所示。用户可通过左上角按钮切换手动操控和自动操控两种模式。若选择手动操控模式，用户可通过右上角按钮控制衣架的推出和收回。同时，用户可通过下方面板查看温度和湿度信息。

图7　终端用户交互界面

3.2　中枢控制端

本设计中，中枢控制端的程序运行在Raspberry Pi 4B上。Raspberry Pi 4B 搭载一块Quad core Cortex-A72(ARM v8)64 bit处理器，具有4 GB RAM，其性能相当于一台微型电脑。同时，Raspberry Pi4B提供40个GPIO接口，以及数个5 V直流接口和GND接口，因此可插装本设计口使用的光敏传感器以及温湿度传感器。

该设备的操作系统为Linux系统。本设计中中枢控制端程序均以Python为编程语言，运行于Linux系统中。

中枢控制端的软件整体框架图如图8所示。

图8　中枢控制端软件架构图

中枢控制端软件一共有3个主程序和2个辅助性程序。主程序即逻辑判断程序；辅助性程序即终端通信程序、执行端通信程序、温湿度获取程序、天气获取程序。

3.2.1终端通信程序

该程序使用点灯科技提供的Python SDK，建立与终端的MQTT连接。

该程序的原理如下：当终端设备的交互按钮有点击操作时，该操作会通过MQTT协议传输至中枢控制端。中枢控制端收到该消息后调用该按钮对应的回调函数。回调函数将用户的操作数据输出至逻辑判断程序。

同时，终端通信程序每隔一段时间通过MQTT协议向终端发送一次“心跳包”，将温湿度传感器的数据发送给终端设备，供用户在终端查阅。

3.2.2逻辑判断程序

该程序读入各种信息，并进行分析，输出为GPIO的电平值。如果输出高电平，则希望执行端执行推出操作；若为低电平，则希望执行端执行收回操作。

逻辑判断程序流程图如图9所示。

该程序会首先读取由终端通信程序获取的A/M按键状态值。如果为自动模式，则读取天气信息以及光敏传感器输入的电平值。当天气信息显示为晴天且光敏传感器检测为白天，则输出高电平。其余情况则输出低电平。

如果读取A/M按键状态值为为手动模式，则继续读取D/R按键状态值。如果值为D，则输出高电平。为R，则输出低电平。

逻辑判断程序流程图如图9所示。

图9　软件流程图

3.2.3执行端通信程序

该程序负责保持与执行端的蓝牙连接，并根据逻辑判断程序输出的电平值下达相应的指令。如果检测到逻辑判断程序的输出为高电平，则通过蓝牙发送字符“D”，反之则发送字符“R”。执行端会根据收到的字符为“D”或“R”，完成推出或收回操作。

3.2.4温湿度程序

由于目前网络可以获取的天气数据最小单位为县/区一级，故为了便于用户判断当前衣架所处环境是否有下雨，故向用户提供实时的环境温湿度信息。

本设计中，温湿度传感器的型号为DHT11。该程序每间隔10 s读取一次传感器的数值，并将获得的温湿度数据保存在中枢控制端，供终端通信程序读取并发送给终端。

3.2.5天气获取程序

本设计中，天气数据的获取信息源为“心知天气”。该程序每隔15分钟调用一次心知天气的API接口，获取最新的天气信息，并将取得的结果保存在中枢控制端，供逻辑判断程序读取。

4　系统测试结果与分析

按照本设计中提及到的硬件设计，将该设计组装好。最终成品如图10所示。

图10　设计成品图

如图10所示，整个系统的底盘为一块“H型”透明“亚克力”板制成，该材料有良好的力学特性，能够抗拉伸、抗弯折。同时，该材料具有很强的耐候性，在自然环境中能保持很长时间不老化，并且成本也较为低廉，故本设计选取该材料制作底盘。

同时，使用热熔胶固定一个“门字型”木制框架与底盘上，用户可将衣物悬挂于上。

对该设计进行测试，最终结果表明该落地式智能天气衣架能够按照设计预期对相应的指令做出正确的反应。

测试条件及结果如表1所示。落地式智能衣架能够按照天气变化转换模式，完成相应的衣架反应。

表1　测试状态及结果

5　结束语

本设计提出了一种对传统落地式衣架进行智能化改造的方案，将物联网概念与落地式衣架相结合。其目的是使得因各种条件不适合使用悬挂式衣架的用户也能够拥有一款智能落地式衣架，该衣架能够让用户实现真正意义上的远程环境信息获取与操控，适合学生、上班族等群体使用，免去了担心衣物被雨水打湿的顾虑，提高了生活质量。

[1]李钰，张晋轩，莫记鹏. 基于Arduino单片机的智能晾衣架的设计[J]. 科学技术创新，2020(33): 183-184.

[2]李时默. 基于52单片机的智能晾衣架系统设计[J]. 计算机产品与流通，2019(9): 120.

[3]吕晓颖. 基于手机APP的WiFi智能晾衣架设计[J]. 信息与电脑(理论版)，2019(14): 83-84.

[4]胡可欣，钱晓莉，顾静怡，等. 基于STC89C52单片机的宿舍用智能电动晾衣架设计[J]. 科技资讯，2021，19(12): 99-102.

[5]谢浩源，郑建晓，李志宏. 基于STM32的智能晾衣架控制系统设计[J]. 南方农机，2020，51(7): 91-92，95.

[6]袁雨凡，高朋，梅杰，等. 一种具有自动遮蔽功能的室外智能晾衣架设计[J]. 机械工程与自动化，2020(6): 92-94.

Design and Implentation of a Floor Mounted Intelligent Weather Clothes Hanger

In order to enable users who need to use floor mounted clothes hangers due to environmental constraints to have an intelligent clothes hanger, this paper puts forward a scheme to realize intelligent transformation of traditional floor mounted clothes hangers by using Internet of things thinking. Using raspberry pie, single chip microcomputer, sensor, DC motor and MQTT protocol to realize the user's remote query of information, and using remote control or automatic control to control the movement of clothes hanger to realize the push out and retraction operation. The design has simple operation and good interaction, and has a certain prospect of popularization and application.

floor mounted clothes hanger; raspberry pie; Internet of things; MQTT protocol application

TP29

A

1008-1151(2022)02-0017-05

2021-12-18

李灵翼（1999－），男，广东深圳人，华南理工大学电子与信息学院学生，研究方向为人工智能。

赖丽娟（1986－），女，广东汕尾人，华南理工大学电子与信息学院实验师，研究方向为电工电子实验教学。