趙貴海 武 波 蔡 恒 秦鳳超 王東圣

（天津仁愛(ài)學(xué)院信息與智能工程學(xué)院，天津 301636）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活舒適度的要求也越來(lái)越高，智能家居已成為時(shí)代發(fā)展的主題。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的大部分智能鞋柜都要用戶(hù)通過(guò)手動(dòng)來(lái)設(shè)定工作模式，如除臭與烘干等。這種工作模式的效果較為一般，很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，且每次都要用戶(hù)手動(dòng)來(lái)設(shè)定工作模式，無(wú)法體現(xiàn)其智能特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，家具朝著智能化方向發(fā)展，并且各大智能家居企業(yè)相繼推出其智能家居產(chǎn)品［1］。本研究基于PLC 可編程控制器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、小愛(ài)同學(xué)語(yǔ)音助手、米家APP，對(duì)傳統(tǒng)智能鞋柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造及功能優(yōu)化。

1 智能鞋柜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本研究設(shè)計(jì)的智能鞋柜系統(tǒng)由鞋柜殼體、傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成。

1.1 功能模塊

本研究設(shè)計(jì)的智能鞋柜系統(tǒng)是以三菱Q 系列可編程控制器（PLC）為控制核心，可對(duì)鞋柜殼體內(nèi)的溫濕度和氣體質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及對(duì)鞋柜殼體進(jìn)行殺菌、除臭、烘干、外表清潔等，并可用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。其總體框架見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了充分利用空間，可將鞋柜設(shè)計(jì)成圓柱體，并采用透明的亞克力板。鞋柜分為上下兩層，每層可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，盒底下設(shè)有推出層，兩層內(nèi)的機(jī)械層在外殼對(duì)應(yīng)的位置上均有獨(dú)立的開(kāi)口，可保證兩層儲(chǔ)鞋格互不干擾。每層鞋盒均分成4 個(gè)直角扇形區(qū)，最多可放置4 雙鞋，如圖2 所示。每層的4個(gè)鞋盒共用一套推出裝置，其由絲桿步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵構(gòu)成，電磁鐵可選用長(zhǎng)時(shí)間通電的長(zhǎng)行程電磁鐵。電磁鐵連接在絲桿電機(jī)的法蘭螺母上。此套推出裝置位于鞋盒下方，且在每個(gè)鞋盒下方有一個(gè)缺口，以便電磁鐵上升頂入該缺口，從而帶動(dòng)鞋盒整體向外伸出。當(dāng)需要推出上方鞋盒時(shí)，PLC 控制電磁鐵的吸合，將電磁鐵的金屬桿向上推出，推入上方鞋盒的缺口中，再由絲桿電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電磁鐵前進(jìn)，從而將鞋盒推出。鞋盒的收回步驟與推出步驟相同。同時(shí)，在每個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)都設(shè)有烘干和紫外殺菌模塊。當(dāng)鞋盒關(guān)閉時(shí)，臭氧發(fā)生器開(kāi)始工作，對(duì)鞋柜內(nèi)的鞋子進(jìn)行除臭。當(dāng)用戶(hù)所選擇的某一鞋盒旋轉(zhuǎn)到推出機(jī)構(gòu)上方時(shí)，推出機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，將鞋盒推出，收納過(guò)程與之相反。

圖2 系統(tǒng)整體外觀結(jié)構(gòu)及扇形區(qū)域剖面圖

1.3 云端控制

云服務(wù)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)鞋柜控制端與手機(jī)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)交換，手機(jī)客戶(hù)端通過(guò)手機(jī)端APP可對(duì)鞋柜內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在其超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)可遠(yuǎn)程操控鞋柜的運(yùn)行［2］。鞋柜控制端通過(guò)接收客戶(hù)端發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，來(lái)解析控制命令，響應(yīng)并執(zhí)行控制要求。系統(tǒng)云平臺(tái)控制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)云平臺(tái)控制圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控核心

本研究用三菱公司生產(chǎn)的Q 系列PLC 來(lái)控制鞋柜系統(tǒng)。其采用的是模塊化結(jié)構(gòu)形式，系列產(chǎn)品的組成與規(guī)模靈活可變，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為4 096 點(diǎn)，最大程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)252 K 步，在采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器后可達(dá)32 M，基本指令的處理速度可達(dá)34 ns。

2.2 前端信息采集模塊

前端采集的數(shù)據(jù)主要是鞋柜內(nèi)部溫濕度及空氣質(zhì)量信息。選用溫濕度傳感器DHT11 對(duì)溫濕度進(jìn)行采集，其具有測(cè)量精度高、硬件電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足不同用戶(hù)所處的不同地理環(huán)境的需求，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鞋柜內(nèi)的溫度及濕度，并將數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)APP中。

在收納鞋子時(shí)，鞋子內(nèi)部的異味氣體較多，本研究采用MQ135 氣體傳感器作為異味氣體檢測(cè)模塊。MQ135 氣體傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸氣的靈敏度高，適合多種應(yīng)用場(chǎng)景［3］。

2.3 除臭殺菌模塊

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性和殺菌性能，是自然界中最強(qiáng)的氧化劑之一，可利用臭氧的強(qiáng)氧化性對(duì)鞋子進(jìn)行除臭［4］。本研究利用高頻短波紫外線對(duì)鞋內(nèi)真菌進(jìn)行照射，從而使真菌死亡，起到殺菌作用［5］。在鞋柜內(nèi)部的頂層和底層均安裝有臭氧紫外消毒燈，該紫外臭氧消毒燈可由PLC進(jìn)行控制。

2.4 ESP8266 WiFi模塊

本研究采用ESP8266 來(lái)讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果在手機(jī)APP 上顯示，同時(shí)輸出的正負(fù)電平成為三菱Q 系列PLC 的QX40 模塊的輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋柜的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，通過(guò)PLC 編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)烘干、消毒、除臭等模塊的控制。另外，ESP8266 模塊具有開(kāi)源性，可接入米家、天貓精靈等智能家庭平臺(tái)，讓用戶(hù)通過(guò)語(yǔ)言來(lái)控制智能鞋柜［6］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在通電后開(kāi)始初始化，傳感器完成自檢功能后進(jìn)入自動(dòng)控制，流程見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序控制流程圖

3.2 傳感器檢測(cè)與智能控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接入電源后，開(kāi)始自檢、初始化、對(duì)傳感器進(jìn)行自我校正及連接WiFi 網(wǎng)絡(luò)，隨后接入米家APP。傳感器完成自檢后，啟動(dòng)控制程序循環(huán)，實(shí)時(shí)采集鞋體的溫濕度和空氣質(zhì)量信息［7］。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)判斷，并相應(yīng)啟動(dòng)殺菌除臭和祛濕防霉模塊。傳感器檢測(cè)程序流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 傳感器檢測(cè)程序流程圖

3.3 手機(jī)APP通信程序設(shè)計(jì)

手機(jī)APP 通過(guò)服務(wù)器與ESP8266 的WiFi 模塊相連，WiFi 模塊自帶的MCU 可讀取服務(wù)器的IP 和Port，同時(shí)MCU 對(duì)服務(wù)器的IP 和Port 進(jìn)行回復(fù)，然后由服務(wù)器將信息反饋到手機(jī)，從而建立起通信控制。手機(jī)APP 與系統(tǒng)之間的通信采用AP+STA 的組網(wǎng)模式，先由手機(jī)與ESP8266串口模塊進(jìn)行WiFi配置。此時(shí)，MCU會(huì)將模塊設(shè)置為AP模式，手機(jī)連接上該WiFi后，獲取連接的WiFi信息，通過(guò)APP用廣播UDP 包發(fā)出數(shù)據(jù)，MCU 在收到數(shù)據(jù)后將ESP8266串口模塊設(shè)置為STA 模式，解析WiFi配置信息，連接無(wú)線路由器，并保存配置信息［8］。流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 手機(jī)APP通信程序流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試與分析

不同種類(lèi)的鞋子對(duì)溫濕度的要求有所不同。如運(yùn)動(dòng)鞋適宜存放的溫度為15～35 ℃，而皮鞋適宜存放的溫度為18～20 ℃，濕度要求一般控制在55%RH。本研究設(shè)定溫度上限為20 ℃、濕度上限為55% RH、污染氣體濃度上限為40%，若超過(guò)設(shè)定值將啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)祛濕及殺菌除臭功能模塊。工作一天后，將鞋子放入鞋柜中進(jìn)行處理。圖7 為祛濕功能的測(cè)試結(jié)果，圖8 為除臭功能的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)測(cè)試可以看出，將鞋子放入鞋柜后，開(kāi)啟祛濕功能約30 min，溫濕度達(dá)到正常范圍，開(kāi)啟除臭模塊約5 min，污染氣體濃度達(dá)到正常范圍。

圖7 祛濕功能測(cè)試

圖8 除臭功能測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于PLC 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能鞋柜系統(tǒng)，首次對(duì)PLC 與單片機(jī)進(jìn)行結(jié)合，并應(yīng)用于鞋柜系統(tǒng)，利用工業(yè)級(jí)可編程控制器的優(yōu)勢(shì)，使得智能鞋柜系統(tǒng)更加穩(wěn)定。與傳統(tǒng)鞋柜相比，其在實(shí)現(xiàn)殺菌除臭、祛濕防霉的功能外，還可通過(guò)ESP8266 模塊接入天貓精靈和小愛(ài)同學(xué)，利用小米或阿里巴巴現(xiàn)有的智能家居體系，可快速適配用戶(hù)家庭中已有的智能家居，只需要使用手機(jī)，或通過(guò)語(yǔ)音助手，即可完成對(duì)鞋子的處理，提升了人們的生活質(zhì)量，增加了用戶(hù)的使用幸福感。