海翔宇 楊宛螢 黃 韜 馬澤宇
(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
隨著全球病毒滋生蔓延,人們越來越重視家居環(huán)境衛(wèi)生,家庭使用的鞋柜尤其需要滿足日常清潔和突發(fā)疫情防范等要求。鞋柜在智能家居和AIoT 的熱潮下被重新定義,人工智能和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合后,賦予鞋柜的將不僅僅是功能上的多樣性,還有基于算法和智能互聯(lián)帶來的一系列交互體驗,鞋柜等家居產(chǎn)品都將變得越來越智能化、人性化[1]。傳統(tǒng)的鞋柜功能單一,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)代社會環(huán)境下疫情防控、日常清潔、智能操控、實時交互等需求[2]。隨著足部醫(yī)療護(hù)理及衛(wèi)生防控的需求增加,不僅家庭需要,醫(yī)院、游泳館等公共場所也亟需更適合大眾需求的多功能智能鞋柜,而且消費水平地提升使鞋類價值上漲,高檔鞋子的清潔保養(yǎng)不可忽視,智能鞋柜市場前景十分廣闊[3]。
該研究旨在設(shè)計一種將清潔擦拭、照明、通風(fēng)、烘干、殺菌消毒、智能監(jiān)測等功能集于一體的智能鞋柜。除了基本的使用功能外,還能結(jié)合多種傳感器進(jìn)行清洗狀態(tài)的實時監(jiān)測和居家異常狀況的自動報警,使鞋柜在儲存鞋的同時能有效殺滅細(xì)菌病毒,預(yù)防疾病。實時數(shù)據(jù)交互帶給用戶更加安全舒適和智能化的體驗,從而提高人們的生活水平,滿足用戶出差歸家和居家生活等多種場景需要[4-5]。考慮到現(xiàn)有市場對鞋柜的需求,該設(shè)計將設(shè)計重點放在實現(xiàn)鞋柜的智能化上,對傳統(tǒng)鞋柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和功能升級,采用創(chuàng)新的清洗方法和機械結(jié)構(gòu)、嵌入式控制設(shè)備、多種傳感系統(tǒng)、人機交互界面等實現(xiàn)智能化一鍵式管理。
家用多方位清洗式鞋柜提供了清潔擦拭、照明、通風(fēng)、烘干、殺菌消毒等一站式人性化設(shè)計,并采用智能化控制的方式,使整個鞋柜各個功能的實現(xiàn)都能一鍵管理。加入能自主選擇鞋子清洗位置的控制與傳感系統(tǒng),讓鞋子的清洗過程更加智能,有效彌補了現(xiàn)有市場的空白。參照中央空調(diào)的原理對鞋柜通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,將消毒、殺菌、清洗裝置一起設(shè)立在一個裝置中,這樣既節(jié)省了空間也節(jié)約了成本,解決了多數(shù)現(xiàn)有智能鞋柜密不透風(fēng)或通風(fēng)不夠流暢、容易滋生細(xì)菌等問題。利用電熱絲發(fā)熱烘干鞋子,有效祛濕,防止雨雪天氣使鞋子潮濕,產(chǎn)生霉變。
智能多方位清洗式鞋柜底座頂部固定設(shè)有清洗箱,清洗箱底部兩側(cè)通過水管連接水泵,水泵固定設(shè)置在清洗箱兩側(cè),水泵頂部出水端通過水管連接金屬管,金屬管水平固定在清洗箱內(nèi)腔頂部,而金屬管底部設(shè)有等距固定的噴頭,液壓伸縮桿可以控制鞋模左右移動,鞋模可以對需要清洗的鞋子進(jìn)行固定,驅(qū)動電機可以通過第一皮帶輪帶動清洗帶旋轉(zhuǎn),清洗帶表面的刷絲可以對鞋模上鞋子的鞋底進(jìn)行清掃,水泵把清洗箱內(nèi)腔底部的清洗液輸送到金屬管,再從噴頭噴出,可以對鞋底進(jìn)行清洗,過濾網(wǎng)可以對清洗液中的垃圾進(jìn)行過濾,可以實現(xiàn)清洗液的循環(huán)利用,清洗機構(gòu)機械示意圖如圖1 所示。
圖1 智能鞋柜的機械示意圖
鞋柜采用格檔設(shè)計,上面2 層儲放干凈鞋,下面2 層儲放待洗鞋,當(dāng)裝置啟動時,傳送帶會開始工作,按照規(guī)劃好的順序和時間,將要清洗的鞋子傳送到清洗裝置中。待清洗工作完成后,鞋子會從右邊傳送出去,隨著升降裝置上升到上面2 層,并且按規(guī)劃完的順序排好,實現(xiàn)全自動智能規(guī)劃路徑,大大減少了人力的使用,并且實現(xiàn)了一次性清潔多雙鞋的效果。
考慮到臟鞋子在導(dǎo)軌上運行時會對導(dǎo)軌造成污染,因此在導(dǎo)軌下也裝配了導(dǎo)軌清洗裝置,臟鞋子對導(dǎo)軌造成的污染會在清潔裝置的作用下流入污物收集裝置,鞋子清洗造成的污染同樣匯集在這里。為了更好地方便消費者使用,將收集裝置設(shè)計成抽屜式,能實現(xiàn)更方便地推拉、傾倒處理。為了更好地提高收集裝置的穩(wěn)定性,還在后面加入了卡扣裝置,使其不易脫離。
殺菌除臭系統(tǒng)主要利用紫外線燈和臭氧氣體給鞋子殺菌消毒,以此來殺滅細(xì)菌,防止疾病傳播。在臭氧發(fā)生器的選型上,根據(jù)臭氧產(chǎn)量、臭氧濃度、可靠性使用壽命等因素,選定一款合適的臭氧發(fā)生器,在功耗方面,由于鞋柜屬于小型家用電器,因此選用較小功率的臭氧發(fā)生器即可。因為環(huán)境要求較高,所以優(yōu)先選用低功率型紫外線燈以避免造成光污染。當(dāng)用戶發(fā)出遙控消毒指令后,多功能鞋柜接收到信號,經(jīng)振蕩電路對信號進(jìn)行濾波處理后,再經(jīng)功率放大器件驅(qū)動除菌燈和臭氧發(fā)生器工作,實現(xiàn)鞋子的全方位消毒殺菌。殺菌除臭系統(tǒng)控制流程圖如圖2 所示。
圖2 殺菌除臭控制流程圖
在加熱除濕的程序設(shè)計上,由于系統(tǒng)需要達(dá)到用戶設(shè)定的溫度和濕度并且保證最大化節(jié)能,因此,使用增量式PID 算法對系統(tǒng)進(jìn)行控制,而且加熱器本身為慣性系統(tǒng),其公式如式(1)所示。
式中:e[n-1]為上一次偏差,e[n-2]為上上次偏差,為上一次累計誤差之和,T 為采樣周期,Ti為積分時間常數(shù),Td為微分時間常數(shù),Kp為比例常數(shù)。
式中:u[n-1]為上一次的輸出量,u[n]該次輸出量,得到的公式如公式(3)所示。
當(dāng)時間達(dá)到用戶所設(shè)定的定時加熱除濕時間時,系統(tǒng)自動啟動開始工作,達(dá)到用戶設(shè)定的加熱除濕時間后停止工作。具體的操作方法為取當(dāng)前溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度的差作為偏差Ke,并跟隨系統(tǒng)周期迭代更新,得到偏差組Ke[n],其中包括了想要記錄的最近的一系列歷史偏差,帶入增量式PID 公式即可得到對應(yīng)的輸出量,將輸出的數(shù)字量累加后,用單片機以PWM 波的形式發(fā)送給加熱器的控制器,即可完成對加熱除濕器的控制。在調(diào)試該PID 參數(shù)時要特別注意該模型的慣性,即應(yīng)在即將達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時就停止加熱,用余溫加熱而不是在溫度達(dá)到后再停止加熱,以此來節(jié)省電量,因此需仔細(xì)調(diào)整該慣性PID 系統(tǒng)的參數(shù)。
在殺菌除臭方面采用殺菌除臭模塊,通過繼電器控制,程序上單片機循環(huán)掃描用戶指令,利用I/O 輸出高低電平,配合定時器實現(xiàn)除菌燈和臭氧發(fā)生器的啟??刂啤Mㄟ^空氣狀況測量裝置實時監(jiān)測鞋柜內(nèi)的空氣狀況,確保鞋柜內(nèi)的空氣質(zhì)量。另外還需要使用臭氧濃度傳感器檢測鞋柜內(nèi)外的臭氧濃度,以避免造成臭氧泄露。
該文提出的家用智能多方位清洗式鞋柜除了具有清洗、消毒殺菌、烘干等全方位功能外,還增加了清洗狀態(tài)檢測、異常狀態(tài)報警等創(chuàng)新功能。在人機交互性方面,可與人進(jìn)行實時數(shù)據(jù)反饋。使用者還可以通過鞋柜觸控設(shè)備選擇和設(shè)置清洗模式,自定義模式提高了鞋柜的個性化水平。同時該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計直觀,操作便捷,具有一定的自清理功能,解決了現(xiàn)有鞋柜密不透風(fēng)、容易滋生細(xì)菌、智能化及人性化程度低等問題,滿足了人們對家具的智能化和人性化需求,有一定的創(chuàng)新意義和市場空間。