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）

0 引言

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。

1 原理設(shè)計

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。

2 清洗機械結(jié)計

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。

3 殺菌除臭系統(tǒng)設(shè)計

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 加熱除濕程序設(shè)計

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)。

4.2 殺菌除臭程序設(shè)計

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。

5 結(jié)語

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。