朱 磊，李 輝，李廣政，羅 聰，彭 旺，謝 科，王佳兵

應(yīng)用研究

一種新型智能晾衣架系統(tǒng)設(shè)計

朱 磊，李 輝，李廣政，羅 聰，彭 旺，謝 科，王佳兵

（邵陽學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南邵陽 422000）

為解決南方地區(qū)梅雨季節(jié)晾曬的煩擾，實現(xiàn)綠色節(jié)能、智能化的目的，提出一種自動遮蔽、風(fēng)干、滅菌的智能晾衣系統(tǒng)設(shè)計：由晾衣架、自動遮蔽、風(fēng)干和滅菌、環(huán)境監(jiān)測、太陽能儲能和人機交互等模塊部分組成。通過太陽能為整個系統(tǒng)供電，然后根據(jù)不同環(huán)境條件下或者手機上控制晾衣架的伸縮、防雨布的展開與復(fù)原、側(cè)板開合以及風(fēng)機、紫外線燈的工作，可以實現(xiàn)衣物自動晾曬、回收，不用擔(dān)心衣物被雨滴淋濕及不干、細(xì)菌滋生等情況出現(xiàn)，其工作較為理想的結(jié)果，具有較好的推廣價值。

晾衣架 自動遮蔽 太陽能 人機交互

0 引言

隨著科技快速發(fā)展，智能家具系統(tǒng)引起了人們廣泛關(guān)注，晾衣架作為智能家居的重要組成部分[1]，其產(chǎn)品種類豐富，功能不盡相同。當(dāng)前市面上有很多不同的晾衣架設(shè)計，總的分以下幾種：第1種是手動伸縮晾衣架，其主要特點是比傳統(tǒng)晾衣架更加容易實現(xiàn)方便了衣物晾曬與回收，其缺點是不能根據(jù)天氣的狀態(tài)自動回收，可能不能及時收取，會被雨滴打濕；第2種是電動伸縮晾衣架。主要特點是比第1種晾衣架更加省時省力，其缺點是一般這種晾衣架都很大型，不適合居民小區(qū)這種密集的地方，且用戶要承當(dāng)?shù)膬r格也要更高，更沒有自動遮蔽系統(tǒng)，不能有效的防止雨滴打濕衣物﹔所以針對南方地區(qū)的梅雨季節(jié)、“老弱病殘幼”的家庭、人口密集的宿舍區(qū)等，市面上現(xiàn)有晾衣架已經(jīng)不能滿足，這些地區(qū)存在陰雨連綿，或晾曬衣物集中，或室外晾曬區(qū)不夠用等問題。不僅如此，如果晾曬的衣物不及時被收取，不僅會占用有限的晾曬區(qū)，還有可能會因天氣原因而被雨淋、暴曬、發(fā)霉，細(xì)菌滋生等給生活帶來極大的不便。因此，研究設(shè)計一種可遮蔽、風(fēng)干、滅菌智能晾衣架具有十分重要意義。本文中設(shè)計智能晾衣架，可以有效的解決人們對現(xiàn)有市場上的晾衣架存在不足之處的痛點，晾衣架通過太陽板進(jìn)行光合發(fā)電，將電量儲存在蓄電池中，為晾衣架工作提供綠色能源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計介紹

以STM32F103C8T6為主控制芯片，用溫濕度傳感器、光照強度傳感器、雨滴傳感器等環(huán)境監(jiān)測模塊收集環(huán)境參數(shù)[2]，單片機采集這些環(huán)境參數(shù)，再編寫相應(yīng)程序以控制驅(qū)動電路，進(jìn)而控制步進(jìn)運行，使實現(xiàn)晾衣架的伸縮和自動遮蔽部分的運行，防止衣服被雨滴淋濕和長時間暴曬。傳感器將環(huán)境參數(shù)傳入單片機，單片機自動分析，當(dāng)溫濕度達(dá)到設(shè)定參數(shù)和光照強度達(dá)到預(yù)設(shè)定參數(shù)時，裝置自動運行，步進(jìn)電機控制晾衣架伸展、側(cè)板展開和防雨布的收回。當(dāng)空氣濕度或光強不符合晾曬條件時，步進(jìn)電機控制側(cè)板合上，同時風(fēng)機和紫外燈打開，幫助衣服快速風(fēng)干和除菌。本晾衣架也可直接使用手機端APP 進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，方便了用戶控制晾衣架，具有良好的交互體驗。其系統(tǒng)框圖和三維模型圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 晾衣架三維模型圖

（1-紫外線燈；2-晾衣架；3-防雨布；4-排風(fēng)口；5-風(fēng)機；6-太陽能板；7-步進(jìn)電機以及傳動齒輪；8-側(cè)板）

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制芯片

主控制芯片采用STM32F103C8T6控制芯片。STM32F103C8T6是一款基于Cortex-M3內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是128KB，是一款中容量的芯片。其內(nèi)部資源十分豐富，包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路及下載電路等[3]。本系統(tǒng)采用這款芯片作為主控制芯片，能夠快速執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.2 步進(jìn)驅(qū)動模塊

因為步進(jìn)電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進(jìn)行驅(qū)動[4]，所以本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機驅(qū)動為TB6600。TB6600是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機驅(qū)動器，兼容多種單片機，可實現(xiàn)步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)控制，旋轉(zhuǎn)角度控制等功能。TB6600步進(jìn)電機驅(qū)動器采用H橋雙極恒相流驅(qū)動，可直接用9～42 V直流供電，可選擇7檔細(xì)分控制，8檔電流控制。最高支持4 A電流輸出，信號端都有配有高速光電隔離，防止信號干擾，并且支持共陰、共陽兩種信號輸入方式。本系統(tǒng)采用共陽級接法如圖3所示。

圖3 共陽極接線圖

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。其具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點，所以滿足本系統(tǒng)中對溫濕度的檢測要求。DHT11采用單總線通信，即只有一根數(shù)據(jù)線來傳輸數(shù)據(jù)，單總線通常需要外接一個上拉電阻，這樣在總線空閑的時候，狀態(tài)為高電平。單片機一根引腳與數(shù)據(jù)通信引腳接口DATA相連，進(jìn)行通信。

2.4 雨滴傳感器

雨滴傳感器采用高品質(zhì)FR-04雙面材料，超大面積5.0×4.0 cm，并用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化，導(dǎo)電性，及壽命方面更優(yōu)越的性能。該傳感器可用于各種天氣狀況的監(jiān)測[5]，檢測是否下雨及雨量的大小，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(DO)和模擬信號(AO)輸出。所以可以根據(jù)輸出高低電平判斷是否有雨情況，也可以連接到模擬量接口，就可以檢測雨量大小。

2.5 光照強度傳感器

光照強度傳感器采用光敏電阻模塊檢測光照強度。光敏電阻模塊里面光敏電阻是由半導(dǎo)體材料制作而成的。光敏電阻利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，其阻值和光照強度成反比。光敏電阻對環(huán)境光線十分敏感，光照越強阻值就越低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低[6]。光敏電阻模塊模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，單片機進(jìn)行AD采集就可以獲得環(huán)境光強精準(zhǔn)的數(shù)值，然后根據(jù)數(shù)值大小判斷光照強度。

2.6 風(fēng)力強度傳感器

風(fēng)力強度傳感器采用三杯式風(fēng)速傳感器[7]，此類風(fēng)速傳感器重量輕,便于攜帶，整體結(jié)構(gòu)采用聚碳酸酯材料，防腐蝕且不易老化。產(chǎn)品內(nèi)置有強抗射頻、抗電磁干擾及防雷浪涌保護(hù)電路，輸出與環(huán)境風(fēng)速成線性關(guān)系的電信號，同樣單片機可以通過AD采集，來獲得電信號的數(shù)值大小，從而風(fēng)速強度。

2.7 無線通信模塊

無線通信模塊采用HC-05模塊，一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機、手機等智能終端配對[8]。該模塊優(yōu)點是靈敏、易開發(fā)、性價比高。當(dāng)我們手機APP與藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對后，就可以單片機與手機進(jìn)行相互通信。

2.8 電源模塊

電源模塊采用太陽能供電板和太陽能蓄電池兩部分組成。太陽能供電板的光伏發(fā)電效應(yīng)，對太陽能進(jìn)行利用，實現(xiàn)綠色能源利用。太陽能蓄電池可以儲存電能，從而時晾衣架系統(tǒng)能夠在沒有陽光下的條件下也能正常工作。當(dāng)側(cè)板打開時，夾角成180度能夠使太陽能板充分吸收太陽能，利用太陽能發(fā)電供給整個晾衣架系統(tǒng)運行工作，剩余的電能將自動儲存在太陽能蓄電池中。當(dāng)因為遇到下雨天等惡劣天氣時，側(cè)板需要關(guān)閉，此時蓄電池儲存的電能也能供給整個晾衣架工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主控制芯片采用STM32F103C8T6，可采用C語言和Keil軟件進(jìn)行編程。首先在單片機編寫對應(yīng)初始化程序，然后外界的數(shù)據(jù)先經(jīng)過各個模塊的采集，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再將信號交由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，然后發(fā)出相應(yīng)控制信號，進(jìn)而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。此外，本系統(tǒng)設(shè)計還帶無線通信模塊，用戶可以隨時在手機端操控整個晾衣架的運行方式。整個晾衣架系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 主程序設(shè)計流程圖

3.2 手機端程序設(shè)計

晾曬端的工作方式分模式 “自動晾曬”和“定時晾曬”模式，其工作方式切換是通過單片機與藍(lán)牙模塊接收到手機端的控制指令決定，本系統(tǒng)選用型號為HC-05的藍(lán)牙模塊與手機APP端進(jìn)行通信。當(dāng)工作方式切換到“自動晾曬”模式時，雨滴傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速強度傳感器、光照強度傳感器等開始工作，實時監(jiān)測晾衣架周圍環(huán)境因素，如光照強度、溫濕度、風(fēng)力大小，各個模塊將采集好的數(shù)據(jù)，傳輸給單片機，單片機可以處理這些數(shù)據(jù)，然后控制驅(qū)動電路自動實現(xiàn)晾衣架相應(yīng)功能。當(dāng)工作方式切換到“定時晾曬”模式時，在手機APP端可以點擊對應(yīng)按鈕設(shè)置晾曬時間，當(dāng)時間到達(dá)時晾衣架自動收縮，方便了用戶隨時進(jìn)行對整個晾衣架工作控制。其設(shè)計流程如圖5所示。

4 實驗結(jié)果與分析

在晴朗、風(fēng)和時進(jìn)行試驗，晾衣架正常伸縮，側(cè)板可以展開成180度，防雨布可以回收；在雷雨、大風(fēng)時進(jìn)行試驗，晾衣架正常伸縮，同時側(cè)板可以合攏，防雨布可以展開。其實驗數(shù)據(jù)如表1所示。注：自動遮蔽系統(tǒng)由側(cè)板、防雨布組成；風(fēng)干、滅菌系統(tǒng)由風(fēng)機、紫外線燈組成。

圖5 手機端程序設(shè)計流程圖

表1 樣機在不同天氣功能測試統(tǒng)計表

天氣晴朗、風(fēng)和雷雨、大風(fēng) 晾衣架正常正常 自動遮蔽系統(tǒng)正常正常 風(fēng)干、滅菌系統(tǒng)正常正常

分析表1的數(shù)據(jù)可得，實驗樣機能在面對不同的天氣情況下，各個部分的功能也都正常工作，整個晾衣架系統(tǒng)處于運行穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計的新型智能晾衣架系統(tǒng)可以由各種環(huán)境傳感器監(jiān)測到不同天氣情況以此來實現(xiàn)晾衣架伸縮以及防水、防大風(fēng)、風(fēng)干、滅菌等的功能。解決了用戶擔(dān)心晾曬衣服時，因天氣原因而被雨淋、暴曬、發(fā)霉，細(xì)菌滋生等問題，而且價格合適，是大部分人能接受并且會喜愛智能化家居，所以本裝置具有廣闊的市場需求。

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Design of intelligent clothes drying rack system

Zhu Lei, Li Hui, Li Guangzheng, Luo Cong, Peng Wang, Xie Ke, Wang Jiabing

（Department of Electrical Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422000, China）

TS959

A

1003-4862（2023）02-0038-04

2022-07-04

朱磊（2000-），男，本科，從事MCU應(yīng)用與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。Email：2506623901@qq.com。

李輝（1984-），男，碩士，副教授，從事自動化專業(yè)教學(xué)及嵌入式控制系統(tǒng)等方面的研究工作。Email：2506623901@qq.com。