◎湖南省株洲市二中初中部2103班 全柯睿 鄧力鋮

本期點(diǎn)評專家

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家，中國發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

隨著生活節(jié)奏越來越快，人們花在晾曬衣服上的時(shí)間越來越少，雨天常常無法及時(shí)收回衣服。同時(shí)，隨著“雙碳”理念的提出，人們越來越重視對綠色能源的利用。鑒于此，我們發(fā)明了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙碳型智慧晾衣架。

一、工作原理

1.能源供應(yīng)

智能晾衣架的能源一般有三種來源：一種是市電，一種是自行提供，一種是蓄電池。本裝置響應(yīng)國家“雙碳”政策，利用“高樓風(fēng)”發(fā)電。

2.智能控制

本裝置利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用單片機(jī)作為中央處理器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程控制移動(dòng)終端，完成晾衣架的伸展、收回。

正常情況下，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間且光敏傳感器模塊讀取到的光照強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，時(shí)鐘模塊發(fā)出指令使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，晾衣架機(jī)械系統(tǒng)工作，完成衣服的晾曬。當(dāng)雨滴傳感器讀取到的雨量值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)接收到收衣服的信號，同時(shí)發(fā)出指令使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)晾衣架機(jī)械系統(tǒng)工作，收回衣服。

為滿足使用者個(gè)性化的需求，我們在系統(tǒng)中加入了通信模塊，利用移動(dòng)終端對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、開發(fā)板、光敏傳感器模塊、雨滴感應(yīng)模塊、遠(yuǎn)程終端、時(shí)鐘模塊、故障模塊和各類電子元器件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、硬件設(shè)計(jì)

1.晾衣架

晾衣架的機(jī)械部分采用三連桿結(jié)構(gòu)，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電機(jī)、滑輪、纜繩、控制箱（內(nèi)部集成單片機(jī)、光敏傳感器模塊、遠(yuǎn)程終端、通信模塊、時(shí)鐘模塊、雨滴感應(yīng)模塊、故障模塊）等組成，如圖2、圖3所示。

圖2 晾衣架側(cè)視圖

圖3 晾衣架正視圖

晾衣服的工作流程為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑輪正向旋轉(zhuǎn)，釋放纜繩，在重力作用下，晾衣架伸展，實(shí)現(xiàn)衣服晾曬。收衣服的工作流程為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑輪逆向旋轉(zhuǎn)，收緊纜繩，晾衣架收攏，收回衣服。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)

選用SMC-F300H垂直軸微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它能在風(fēng)向不定的情況下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對安裝環(huán)境的要求較一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)要低，具有適應(yīng)性強(qiáng)、風(fēng)速低、風(fēng)能利用率高的特點(diǎn)，非常適用于居民聚集區(qū)。

3.電機(jī)

選用精密N20直流減速電機(jī)，它采用全金屬齒輪結(jié)構(gòu)，力矩更大，更牢靠，噪聲更低。

三、控制系統(tǒng)

本裝置的控制系統(tǒng)包括主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、雨滴感應(yīng)模塊、光敏傳感器模塊、故障模塊等。

1.主控芯片

主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)，它具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊利用L298N驅(qū)動(dòng)芯片對電機(jī)進(jìn)行控制。通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進(jìn)行設(shè)定，即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，操作簡單、穩(wěn)定性好。

3.通信模塊

單片機(jī)通過無線傳輸模塊與移動(dòng)終端連接。無線傳輸模塊采用體積小、功耗低的ESP8266芯片。

4.雨滴感應(yīng)模塊

雨滴感應(yīng)模塊采用穩(wěn)定性好、可靠性高的DHT11數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，能同時(shí)獲取溫度與濕度兩個(gè)數(shù)據(jù)。

5.光敏傳感器模塊

光敏傳感器模塊采用NHZD10傳感器，它具有結(jié)構(gòu)牢固、密封性好、穩(wěn)定性好、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

6.故障模塊

故障模塊包括電流傳感器和位置傳感器。

當(dāng)天氣和預(yù)設(shè)時(shí)間滿足條件而電機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流傳感器感應(yīng)不到電流，電流傳感器發(fā)送故障信息給單片機(jī)。位置傳感器被設(shè)置于蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)晾衣架未到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)，位置傳感器發(fā)送故障信息給單片機(jī)。

電流傳感器和位置傳感器分別與單片機(jī)連接，單片機(jī)通過無線傳輸模塊發(fā)送故障信息至用戶手機(jī)。

四、軟件設(shè)計(jì)

我們通過設(shè)定程序，使裝置實(shí)現(xiàn)以下功能。

1.自動(dòng)晾曬

利用時(shí)鐘模塊，設(shè)置8：00晾曬，18：00收回。晾曬期間，晾衣架通過雨滴感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測天氣是否下雨，遇雨則收回衣服；通過光敏傳感器模塊檢測是否出太陽，如出太陽則晾曬衣服。

2.個(gè)性化設(shè)置

本裝置利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)置，用戶可以根據(jù)自己的需求提前設(shè)置晾曬衣服的起止時(shí)間。

3.設(shè)備故障報(bào)警

當(dāng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送故障信息給用戶，提醒用戶進(jìn)行手動(dòng)操作或及時(shí)維修。

五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證裝置的性能，我們在不同時(shí)段、不同氣候條件下對裝置進(jìn)行了多次情景模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該裝置能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

專家點(diǎn)評

全柯睿、鄧力鋮同學(xué)的“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙碳型智慧晾衣架”是一件具有社會(huì)首創(chuàng)性的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。從選題來看，它是一件“老題新做”的作品。文中技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容較多，研究過程也較為嚴(yán)謹(jǐn)，體現(xiàn)了指導(dǎo)老師想通過實(shí)施項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生科研潛質(zhì)的初衷。同時(shí)，這個(gè)項(xiàng)目的完成也充分展現(xiàn)了兩位同學(xué)的探究能力和對相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能力。

值得商榷是：其一，現(xiàn)在很多晾衣架都有烘干功能，花這么多的精力來研究這個(gè)老課題，是否有必要？即使有必要，也應(yīng)在研究背景中給出分析數(shù)據(jù)，讓人信服。其二，該項(xiàng)目名稱中的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“雙碳型”“智慧”等概念，一方面確實(shí)會(huì)讓人眼前一亮，但另一方面也有博人眼球之嫌。