◇常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院 張宇 湯志鵬 袁志剛 顧秋宇 靳敏

隨著現(xiàn)代都市生活水平不斷提高，為解決人們因工作、外出而不能及時收回晾曬在陽臺外的衣服的問題，本文設(shè)計了一套智能晾衣系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過搭載的溫度、濕度、風(fēng)速、光照傳感器自動感知室外溫度、濕度、風(fēng)力和關(guān)照強弱的變化，自動控制晾衣架伸出窗外或收回室內(nèi)，具有反應(yīng)靈敏、操作簡單、安全可靠、適合老舊小區(qū)改造及新小區(qū)統(tǒng)一加裝的特點。

1 引言

隨著人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，智能家居的需求也越來越多[1]，尤其需要能夠根據(jù)環(huán)境變化自動執(zhí)行預(yù)定功能的智能家居，本文所設(shè)計的智能晾衣架就是在這樣的產(chǎn)業(yè)需求背景下產(chǎn)生。傳統(tǒng)衣架只能固定在屋內(nèi)或者屋外，屋內(nèi)晾衣時，晴天效率較低；屋外晾衣時，陰雨天氣無法自動回收[2-3]，室內(nèi)常用的可升降結(jié)構(gòu)由于采用滾輪和鋼絲繩結(jié)構(gòu)，容易銹蝕，影響使用效果。而目前市面上已有的智能晾衣系統(tǒng)或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜不可靠；或是功能不足，缺少實際應(yīng)用的價值[4]；或是價格昂貴；或是仍然停留在設(shè)計圖紙上[5-6]，其普遍應(yīng)用不廣。因此，急需一款智能化晾衣架系統(tǒng)在雨雪大風(fēng)天氣能反應(yīng)靈敏的自動收回衣服，不需要人為操作且價格便宜，易于普及。

2 設(shè)計思路

該智能晾衣系統(tǒng)通過光感、濕度、溫度等傳感器實時監(jiān)測室外天氣狀況，并反饋給控制系統(tǒng)，控制齒輪齒條傳動機構(gòu)開啟或者關(guān)閉窗戶，同時自動執(zhí)行將晾衣桿伸出陽臺或者縮回室內(nèi)的動作。系統(tǒng)機構(gòu)簡單可靠，在停電等突發(fā)情況下可以手動將衣架收回室內(nèi)。后續(xù)可根據(jù)用戶需求，可升級為物聯(lián)網(wǎng)實時控制、遠(yuǎn)程控制，總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 智能晾衣系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖

3 設(shè)計方案

3.1 機械傳動方案設(shè)計

智能晾衣系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、價格合理的方案設(shè)計其主要的機械傳動結(jié)構(gòu)，同時需要滿足適應(yīng)舊房晾衣系統(tǒng)改造，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括控制部分（控制器）、驅(qū)動部分（移窗電機和伸縮桿電機）、固定框體部分（窗體）以及移動框體部分（內(nèi)框推桿和伸縮外框和伸縮齒條）。

圖2 晾衣系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)簡圖

晾衣架布置在方形的內(nèi)外框結(jié)構(gòu)下，夜間或者不適合晾曬天氣條件下，窗戶關(guān)閉，且伸縮電機將內(nèi)外框完全縮回室內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到室外適宜晾曬衣物時，移窗電機驅(qū)動窗戶左右開啟。窗戶完全開啟后，室內(nèi)伸縮齒條下方的伸縮電機啟動，驅(qū)動齒輪與內(nèi)框推桿向窗外伸出，晾衣架移動中的狀態(tài)如圖3左圖所示。當(dāng)外框完全伸出窗外，為方便衣服更好的接觸陽光，晾衣架上布置有間隔均勻的晾曬孔，便于衣物在室內(nèi)或室外都能保持適當(dāng)?shù)拈g隔，晾衣架完全伸出在室外的狀態(tài)如圖3右圖所示。

圖3 晾衣架移動狀態(tài)以及室外的狀態(tài)

氣候突變的條件下，移窗電機將窗戶左右完全開啟，之后伸縮電機將內(nèi)外框推桿收回，晾衣架收回室內(nèi)，晾衣架完全收回室內(nèi)狀態(tài)下，伸縮外框可以將窗戶橫梁上的孔封閉，以防止雨水倒灌，橫梁上的孔為內(nèi)外框的伸縮提供了足夠的運動空間。當(dāng)檢測到晾衣架被完全收入室內(nèi)后，移窗電機開始啟動，左右窗戶等速向中間靠攏直至完全關(guān)閉，此時窗戶處于完全密封狀態(tài)，避免風(fēng)和雨水的倒灌，晾衣架在室內(nèi)的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 晾衣架在室內(nèi)的狀態(tài)

由于該系統(tǒng)采用齒輪齒條作為驅(qū)動連接件，該晾衣系統(tǒng)在停電等緊急情況下，通過手動控制可以較方便的收回晾衣架，關(guān)上窗戶，避免斷電或者其他電路故障情況下無法完成晾衣系統(tǒng)晾曬收放工作。系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)部分采用齒輪齒條，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便并且維護簡單，比市面上傳統(tǒng)晾衣架應(yīng)用的滑輪或者鋼絲繩等結(jié)構(gòu)更加安全可靠，有效的延長了晾衣架的使用壽命。

惡劣天氣下衣物會被收回室內(nèi)，因此無需考慮惡劣工況下的晾衣系統(tǒng)受力情況，系統(tǒng)僅需承受晾曬衣物重力。當(dāng)衣架完全伸出或者完全縮回時，衣架在衣物重力作用下整體受力模型類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，伸縮外框或者伸縮內(nèi)框正好處于橫梁上的方孔中，不僅擋風(fēng)遮雨，還能有效的借助窗體上梁框架，減少衣架懸臂梁結(jié)構(gòu)的外懸伸量，依此減小衣架的彎曲變形，有效的提高了衣架的承載能力。

3.2 硬件電路方案設(shè)計

新型智能晾曬系統(tǒng)能根據(jù)外界環(huán)境條件，無需人為干預(yù)，自動執(zhí)行最佳的晾曬方案?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動機械傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)晾衣工作，其主要控制系統(tǒng)采用HP070-33一體控制器，風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器檢測風(fēng)速、溫度、濕度和光照數(shù)據(jù)，判斷環(huán)境條件同時驅(qū)動晾衣架伸縮電機和窗戶開關(guān)電機執(zhí)行最佳晾曬方案。本系統(tǒng)傳感檢測裝置中未選用雨滴傳感器，由于雨滴傳感器靈敏度及系統(tǒng)反應(yīng)時間等原因，當(dāng)系統(tǒng)檢測雨滴落下之后，衣服已經(jīng)潮濕，且下雨之前空氣中的濕度較大，利用溫濕度傳感器綜合判斷晾曬條件比采用雨滴傳感器效果更好。對于老舊小區(qū)，在窗戶檐加上可拆卸式透光的有機玻璃板擋防止鳥屎或上層落物，也能一定程度防止雨雪淋濕衣物。

本系統(tǒng)利用德控森社DK-3003-CFSFX-N01型超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢測氣流，通過氣流對傳感器轉(zhuǎn)換的電流或者電壓的變化值，換算得到實際的風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速超過系統(tǒng)默認(rèn)閾值8m/s或人為預(yù)先設(shè)定值時，系統(tǒng)自動認(rèn)定風(fēng)速過大，容易吹落衣物，不適合晾曬。當(dāng)風(fēng)向由下向上時，可能導(dǎo)致衣物脫落，被認(rèn)定為不適合晾曬。

本系統(tǒng)利用美控MEACON-RS485型溫濕度傳感器檢測當(dāng)前空氣的溫度和濕度，傳感器檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值或者電流值輸入一體機，當(dāng)濕度大于系統(tǒng)默認(rèn)的80%或者人為預(yù)先設(shè)定值時，系統(tǒng)自動認(rèn)定潮濕程度過大，不利于衣物晾干，系統(tǒng)自動將衣物收進室內(nèi)并完全關(guān)閉窗戶，避免衣物淋雨或者淋雪。當(dāng)外界溫度達到系統(tǒng)默認(rèn)閾值45℃時，傳感器將電信號傳輸給一體機，自動設(shè)定30分鐘后收回晾衣架；當(dāng)外界溫度低于系統(tǒng)默認(rèn)的閾值8℃時，則以其他傳感器的設(shè)置閾值作為判斷是否執(zhí)行的條件，避免因為溫度低而濕度不高錯過較佳的晾曬條件。

本系統(tǒng)利用建大仁科的光照度傳感器測量當(dāng)前的光照強度，將其轉(zhuǎn)換為電壓值之后輸入一體機處理，當(dāng)光度小于系統(tǒng)默認(rèn)閾值2500SI或者小于人為預(yù)先設(shè)定值時，系統(tǒng)自動認(rèn)定天氣轉(zhuǎn)陰或者接近天黑，不適合將衣物在外晾曬，系統(tǒng)自動收回衣物并關(guān)閉窗戶。

各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入HP070-33型一體控制器中，控制器中存儲的程序能夠讓晾衣系統(tǒng)實現(xiàn)自動工作。如符合條件，則馬達得電，傳動系統(tǒng)工作。移窗馬達得電，窗戶開啟，完全開啟后觸發(fā)限位的行程開關(guān)，使伸縮馬達得電，驅(qū)動晾衣架伸出窗外，完全伸出后觸發(fā)行程開關(guān)，移窗馬達工作，窗戶移動到關(guān)窗位置，完全關(guān)閉后觸發(fā)行程開關(guān)，馬達停轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)晾衣功能：窗戶完全打開—衣架完全伸出—窗戶完全關(guān)閉。此時晾衣架至指定位置，窗戶關(guān)閉，晾衣過程結(jié)束。當(dāng)傳感器給一體控制器信號，則實現(xiàn)收衣的功能，即：窗戶完全打開—衣架完全縮回—窗戶完全關(guān)閉。系統(tǒng)的控制電路圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電路圖

4 結(jié)束語

新型智能晾曬系統(tǒng)是一種基于環(huán)境感知型的智能裝置，它主要利用光感、濕度、風(fēng)速三類傳感器來采集周圍環(huán)境的各項指標(biāo)參數(shù)，以HP070-33型一體控制器作為主控單元，將各項環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)默認(rèn)或者人為設(shè)定的閾值進行比較，驅(qū)動移窗馬達和衣架伸縮馬達，利用簡單耐用的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自動晾衣的功能。本系統(tǒng)設(shè)計重點考慮了衣服晾曬的一些基本功能，隨著人們需求日益增加，將會對智能晾衣系統(tǒng)提出更高要求，后續(xù)可通過升級硬件設(shè)計、增加軟件設(shè)計，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實時控制與遠(yuǎn)程控制，以解決更多更復(fù)雜的應(yīng)用問題。