基于PLC的多功能智能鞋柜系统设计与实现

赵贵海 武 波 蔡 恒 秦凤超 王东圣

（天津仁爱学院信息与智能工程学院，天津 301636）

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对生活舒适度的要求也越来越高，智能家居已成为时代发展的主题。目前，国内市场上的大部分智能鞋柜都要用户通过手动来设定工作模式，如除臭与烘干等。这种工作模式的效果较为一般，很难达到预期目标，且每次都要用户手动来设定工作模式，无法体现其智能特点。随着科学技术的快速发展，家具朝着智能化方向发展，并且各大智能家居企业相继推出其智能家居产品［1］。本研究基于PLC 可编程控制器、物联网技术、小爱同学语音助手、米家APP，对传统智能鞋柜进行结构改造及功能优化。

1 智能鞋柜系统总体设计思路

本研究设计的智能鞋柜系统由鞋柜壳体、传动装置和控制系统三部分组成。

1.1 功能模块

本研究设计的智能鞋柜系统是以三菱Q 系列可编程控制器（PLC）为控制核心，可对鞋柜壳体内的温湿度和气体质量进行实时监测，及对鞋柜壳体进行杀菌、除臭、烘干、外表清洁等，并可用手机进行远程控制。其总体框架见图1。

图1 系统总体框图

1.2 机械结构设计

为了充分利用空间，可将鞋柜设计成圆柱体，并采用透明的亚克力板。鞋柜分为上下两层，每层可独立旋转，盒底下设有推出层，两层内的机械层在外壳对应的位置上均有独立的开口，可保证两层储鞋格互不干扰。每层鞋盒均分成4 个直角扇形区，最多可放置4 双鞋，如图2 所示。每层的4个鞋盒共用一套推出装置，其由丝杆步进电机和电磁铁构成，电磁铁可选用长时间通电的长行程电磁铁。电磁铁连接在丝杆电机的法兰螺母上。此套推出装置位于鞋盒下方，且在每个鞋盒下方有一个缺口，以便电磁铁上升顶入该缺口，从而带动鞋盒整体向外伸出。当需要推出上方鞋盒时，PLC 控制电磁铁的吸合，将电磁铁的金属杆向上推出，推入上方鞋盒的缺口中，再由丝杆电机旋转带动电磁铁前进，从而将鞋盒推出。鞋盒的收回步骤与推出步骤相同。同时，在每个扇形区域内都设有烘干和紫外杀菌模块。当鞋盒关闭时，臭氧发生器开始工作，对鞋柜内的鞋子进行除臭。当用户所选择的某一鞋盒旋转到推出机构上方时，推出机构开始工作，将鞋盒推出，收纳过程与之相反。

图2 系统整体外观结构及扇形区域剖面图

1.3 云端控制

云服务器用来实现鞋柜控制端与手机客户端的数据交换，手机客户端通过手机端APP可对鞋柜内的温湿度和空气质量进行实时监测，并在其超过设定阈值时发出警报，同时可远程操控鞋柜的运行［2］。鞋柜控制端通过接收客户端发来的请求，来解析控制命令，响应并执行控制要求。系统云平台控制如图3所示。

图3 系统云平台控制图

2 系统硬件设计

2.1 主控核心

本研究用三菱公司生产的Q 系列PLC 来控制鞋柜系统。其采用的是模块化结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数为4 096 点，最大程序存储器容量可达252 K 步，在采用扩展存储器后可达32 M，基本指令的处理速度可达34 ns。

2.2 前端信息采集模块

前端采集的数据主要是鞋柜内部温湿度及空气质量信息。选用温湿度传感器DHT11 对温湿度进行采集，其具有测量精度高、硬件电路简单的优点，可满足不同用户所处的不同地理环境的需求，实时监测鞋柜内的温度及湿度，并将数据上传到手机APP中。

在收纳鞋子时，鞋子内部的异味气体较多，本研究采用MQ135 气体传感器作为异味气体检测模块。MQ135 气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸气的灵敏度高，适合多种应用场景［3］。

2.3 除臭杀菌模块

臭氧具有极强的氧化性和杀菌性能，是自然界中最强的氧化剂之一，可利用臭氧的强氧化性对鞋子进行除臭［4］。本研究利用高频短波紫外线对鞋内真菌进行照射，从而使真菌死亡，起到杀菌作用［5］。在鞋柜内部的顶层和底层均安装有臭氧紫外消毒灯，该紫外臭氧消毒灯可由PLC进行控制。

2.4 ESP8266 WiFi模块

本研究采用ESP8266 来读取温湿度传感器的数据，并将处理结果在手机APP 上显示，同时输出的正负电平成为三菱Q 系列PLC 的QX40 模块的输入，从而实现对鞋柜的远程控制。同时，通过PLC 编程可实现对烘干、消毒、除臭等模块的控制。另外，ESP8266 模块具有开源性，可接入米家、天猫精灵等智能家庭平台，让用户通过语言来控制智能鞋柜［6］。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

本研究设计的系统在通电后开始初始化，传感器完成自检功能后进入自动控制，流程见图4。

图4 系统主程序控制流程图

3.2 传感器检测与智能控制程序设计

系统接入电源后，开始自检、初始化、对传感器进行自我校正及连接WiFi 网络，随后接入米家APP。传感器完成自检后，启动控制程序循环，实时采集鞋体的温湿度和空气质量信息［7］。根据采集到的数据，做出相应判断，并相应启动杀菌除臭和祛湿防霉模块。传感器检测程序流程图见图5。

图5 传感器检测程序流程图

3.3 手机APP通信程序设计

手机APP 通过服务器与ESP8266 的WiFi 模块相连，WiFi 模块自带的MCU 可读取服务器的IP 和Port，同时MCU 对服务器的IP 和Port 进行回复，然后由服务器将信息反馈到手机，从而建立起通信控制。手机APP 与系统之间的通信采用AP+STA 的组网模式，先由手机与ESP8266串口模块进行WiFi配置。此时，MCU会将模块设置为AP模式，手机连接上该WiFi后，获取连接的WiFi信息，通过APP用广播UDP 包发出数据，MCU 在收到数据后将ESP8266串口模块设置为STA 模式，解析WiFi配置信息，连接无线路由器，并保存配置信息［8］。流程图见图6。

图6 手机APP通信程序流程图

4 试验测试与分析

不同种类的鞋子对温湿度的要求有所不同。如运动鞋适宜存放的温度为15～35 ℃，而皮鞋适宜存放的温度为18～20 ℃，湿度要求一般控制在55%RH。本研究设定温度上限为20 ℃、湿度上限为55% RH、污染气体浓度上限为40%，若超过设定值将启动报警装置，同时启动通风祛湿及杀菌除臭功能模块。工作一天后，将鞋子放入鞋柜中进行处理。图7 为祛湿功能的测试结果，图8 为除臭功能的测试结果。通过测试可以看出，将鞋子放入鞋柜后，开启祛湿功能约30 min，温湿度达到正常范围，开启除臭模块约5 min，污染气体浓度达到正常范围。

图7 祛湿功能测试

图8 除臭功能测试

5 结语

本研究设计了一种基于PLC 和物联网技术的智能鞋柜系统，首次对PLC 与单片机进行结合，并应用于鞋柜系统，利用工业级可编程控制器的优势，使得智能鞋柜系统更加稳定。与传统鞋柜相比，其在实现杀菌除臭、祛湿防霉的功能外，还可通过ESP8266 模块接入天猫精灵和小爱同学，利用小米或阿里巴巴现有的智能家居体系，可快速适配用户家庭中已有的智能家居，只需要使用手机，或通过语音助手，即可完成对鞋子的处理，提升了人们的生活质量，增加了用户的使用幸福感。