物聯網環境下的新型智能晾衣架

張鈴 廖藝灼 黃焱

（重慶西南大學 重慶市 400715）

在這個快節奏的電子時代，人們的時間觀念逐漸加強，日程安排也日益緊密，越來越多的人開始追求更加快捷、更加智能的生活方式。因此，智能家居產品在這幾年如同雨后春筍般呈現指數式的增長，并逐漸走入人們的日常生活中。而作為每個家庭家居必需品的晾衣架，其基本作用無非是晾曬衣物被褥等，但傳統的晾衣架必須手動去拉動，每天早開晚關十分麻煩，而目前市場上的自動晾衣架也只能提供垂直升降操作。為提供舒適、便捷、時尚的生活環境，物聯網環境下的智能晾衣架可根據天氣情況實現智能曬衣服和收衣服的自動化控制、實時跟蹤太陽，使衣服能得到充分晾曬。其中相關傳感器可檢測衣服的干濕程度從而實現控制衣服的收回，防止暴曬；除此之外用戶還可以通過遙控器，實現手動按鍵來控制晾衣架的升降和工作狀態或者利用手機上對應APP 實現與該晾衣架的通信來完成上述功能。考慮到用戶可能不在家的情況，該晾衣架還搭配了在自動模式下可以自行根據周圍環境濕度、光線強度以及雷雨等情況進行自動伸收的功能。為了保證用戶對安全性的追求，該自動晾衣架還將帶有利用電阻應變片而制成的超重檢測模塊。軟件部分則采用了模塊化設計思想，實現了對晾衣架自動伸收控制、超重報警以及追蹤太陽等功能。

1 系統控制原理

按照模塊化設計的思想，該晾衣架大致可分成單片機最小系統，太陽實時追蹤，通訊模塊，光照強度、溫濕度傳感器檢測模塊，外界環境雨滴檢測模塊，衣服干濕狀態檢測，電機控制執行部分和限位開關組成。晾衣架的控制裝置主要以單片機AT89C51為控制核心。為實現超重檢測，我們采用電阻應變片組成的超重檢測電路；另外，為了實現晾衣架機械自動的升降功能，對應遙控控制方式，我們將通過手動按鍵發出對應遙控信號控制電機驅動電路，從而帶動對應直流電機的正或者反轉來實現晾衣架的升降，而對于其中的無線發送接收模塊，我們將采用編碼解碼芯片，例如SC2262/SC2272，然后通過SC2272 編碼解碼對應信號并將其轉化為電信號來實現對單片機的控制，最后利用單片機來控制繼電器的吸或者和從而驅動直流電機的正、反轉，實現晾衣架的開或者合。為了防止晾衣架過卷，在這里，我們還將使用行程開關來對晾衣架的位置進行檢測。為了顯示晾衣架的工作狀態，在此我們將采用發光二極管電路，例如紅燈亮時說明晾衣架處于自動模式，即：天亮時自動打開晾衣架，天黑時自動關閉晾衣架；藍燈亮時強行使系統電機正轉，使晾衣架伸出，黃燈亮時強行使電機反轉，使晾衣架收回，而當晾衣架碰觸到行程開關時，使相應的指示燈閃爍幾下，同時使晾衣架的電動機停止。另外，為了踐行安全放心的原則，我們還將設計報警電路，為防止電流異常產生火災等情況，晾衣架中對應的電流采樣及轉換電路對電路情況進行實時監控，以達到過流保護功能，當產生過流或超重現象時晾衣架及時聲光報警，從而防止意外發生；隨著太陽能的廣泛利用，為了提高對太陽的利用率，我們還考慮將雙軸太陽跟蹤系統與晾衣架結合，使晾衣架能夠實時跟蹤太陽，從而使所晾曬的衣服都能夠得到充分的晾曬。對于晾衣架設計的軟件部分，我們主要采用了模塊化設計的思想，并且編制了各個模塊的流程圖，實現了對晾衣架自動伸收控制、超重報警以及追蹤太陽等功能。在智能晾衣收衣的功能上，該晾衣桿還增加了用戶手機小程序控制和遙控器控制，從而實現了在短程距離里，用戶也可以通過手機app 來實現對晾衣架運行狀態的實時控制。

圖1：復位電路

圖2：正反轉控制電路

2 智能晾衣架系統硬件設計

2.1 單片機最小系統模塊設計

主控芯片：由于C51 單片機的廣泛使用以及較為成熟的理論系統，在這個智能晾衣架的設計中我們將采用STC89C51 為主控芯片。下面我們將闡述其外圍電路的設計，首先是時鐘電路：由于C51 單片機內部有一個高增益的反相放大器來構成振蕩器，所以在本設計中我們將采用6MHz 的晶振。復位電路：據相關資料可知，為了實現系統的復位操作，單片機最小系統經常采用上電自動復位或者手動按鍵復位這兩種復位方式，其中對于上電復位而言，一般要求當接通電源后單片機最小系統能夠自動實現復位操作；而對于手動復位而言，則要求電源接通時，能夠使在運行期間單片機可以用按鈕開關這類操作使其復位。對于本篇文章中的單片機而言，考慮到可實用性及盡可能的降低成本，我們將采用按鍵設計的方式，且本系統將采用機械觸點式按鍵。復位電路如圖1 所示。

2.2 通信系統模塊設計

本晾衣架的通信方式主要包括手動遙控和用戶手機小程序控制這兩種方式。下面，我們將分別針對這兩種控制方式進行設計。遙控的電路設計：該晾衣架系統將采用sc2262 和sc2272 來進行遙控和接收，其中我們將會使用12V 電池對遙控器部分進行供電，只有當用戶按下按鍵后，發射模塊的電源端才會被連通從而發出信號。Wi-Fi 控制設計：該晾衣架系統利用ESP8266-12 芯片實現將用戶的物理設備（例如手機、ipad 等）連接到Wi-Fi 無線網絡上，使得晾衣架與用戶的物理設備進行互聯網或局域網的通信。不管是采用遙控控制還是利用用戶物理設備進行控制，用戶都可以實現對晾衣架工作模式的控制，即自動或者是手動模式；除此之外，用戶還可以自行設置晾衣架的伸縮升降狀態，以使用戶可以方便的控制晾衣架的狀態。

2.3 定時收衣及自動檢濕狀態系統設計

為了實現晾衣架能夠根據天氣狀態自行進行定時收衣、晾曬衣服的功能，該晾衣架可自行感知光線以及檢測溫濕狀態的功能。所以在此我們將對系統的光線檢測模塊、電機正反轉控制模塊以及濕度檢測模塊進行介紹。首先是感知光線檢測模塊：該晾衣架的自動模式是當天黑時即光線較暗時能夠自動閉合晾衣架，收回衣物，而當天亮即光線較亮時能夠自動拉開晾衣架，晾曬衣物，從而我們想到利用光敏傳感器實現對外界環境光線的檢測，然后將信息反饋到單片機，以實現晾衣架的自動化。除了檢測外界環境光線情況之外，我們還需要感知外界環境是否下雨或者其他不利于衣服晾曬的天氣，據此我們想到使用濕度檢測模塊，在此我們直接采用DHT11溫濕度傳感器。感知對應天氣狀況后還需實現直接控制晾衣架的升降，對于晾衣架的結構上，晾衣架的主體框架兩側將設置對應的滑軌以減小摩擦從而節省能源開支并延長晾衣架的壽命，對應晾衣桿兩端將設置滑輪并將其支承在主體框架上，然后使用強度較大的繩子與可滑動的晾衣桿連接，帶動它在滑軌上滑動。在通過編程使得單片機直接控制兩個繼電器的吸和狀態然后對直流電動機的旋轉方向進行控制，讓電機直接帶動牽引繩從而拉動滑動晾衣桿，實現晾衣架的升降狀態。正反轉控制電路如圖2 所示。

2.4 安全報警模塊設計

眾所周知，隨著現代經濟的不斷發展，人們對于安全的意識越來越重，對于本晾衣架我們也設計了相應的安全檢查模塊對晾衣架的狀態進行檢察。首先由于晾衣架要伸出窗戶，所以我們首先考慮到的是高空墜物的問題，也就是說我們要對晾衣架所晾曬的衣物進行嚴格的管控，據此我們設計了可實現對晾衣架衣物重量進行檢測并當發生超重時可及時報警通知的電路，該電路模塊中我們主要使用可電阻應變式傳感器，當用戶晾曬衣物時，稱重傳感器上所承受的重力將會發生變化，從而導致稱重傳感器的內部產生相應的電阻變化，最終導致輸出的電壓發生變化，然后將其電壓變化輸送到聲光報警電路放出警告，告訴用戶衣物懸掛過多無法工作。其中聲光報警電路內部主要包括信號產生、放大電路和聲光報警電路。

2.5 附加功能設計

對于晾衣架這種電器，由于晾曬衣物的功能，據此我們還考慮到對衣物進行消毒和自動進行烘干的功能，從而實現用戶對高品質生活追求的目標。消毒主要包括紫外線照射消毒以及臭氧消毒這兩種方式。對于紫外線消毒這種方式，由于常用的低壓汞蒸氣燈主要是產生254nm和185nm的紫外線，所以在智能晾衣架的殺菌裝置中，我們將使用254nm 波長的紫外線。而對于臭氧殺菌的方式，我們同樣通過汞蒸氣來產生波長為185nm 的紫外線，從而將外界空氣中的 氧氣變成臭氧。當外界天氣條件不好或者用戶急需所曬衣物時，該晾衣架還需提供烘干的功能，該智能晾衣架的烘干功能基于獨創風道設計、多口徑出風，全面優化風導向，風效提升60%；持續、恒溫暖風，晾曬同時有效烘干，拒絕靠天晾衣。

圖3：后臺功能圖

圖4：2TCP 協議

2.6 雙軸太陽能跟蹤系統

為了使衣物得到充分的晾曬，其中唯一的辦法就是要使衣物能夠盡可能多的接觸到太陽光，也就是極大可能的利用太陽光。據此我們想到利用雙軸太陽跟蹤系統使晾衣架能夠自動跟蹤太陽使衣物得到充分的晾曬。只要我們事先按預定的位置調整太陽能電池板的朝向，即使是在天氣變化較為復雜且無人看管的情況下，該晾衣架可跟蹤太陽，從而提高了對太陽的利用率，加大了對衣物的晾曬。

以雙軸跟蹤為基礎的傳感器雙軸跟蹤已經得到了廣泛的應用。對于該部分系統硬件的設計，我們主要分為三個部分，即傳感器模塊、控制模塊以及電機驅動電路模塊。對于傳感器模塊內部主要包括硅光電池、采樣電路以及能夠將太陽光轉化成為電壓信號以供單片機采集的裝置。控制模塊中單片機可以通過ADC 模塊來讀取采樣電路的電壓值，然后使用PID 算法計算出晾衣架正面偏離太陽的角度，根據所計算出來的角度輸出相應占空比的PWM 信號送至電機驅動電路從而實現對太陽方位的精確追蹤。其中電機驅動電路可以根據所輸入的不同占空比的PWM 信號來控制相應電機的轉速，以實現對太陽角度的平穩跟蹤。

3 智能晾衣架系統軟件部分

3.1 程序語言選擇

在對單片機的程序設計中，我們主要考慮到C 語言以及匯編語言這兩種編寫方式。其中C 語言是一種結構化的編程語言，由于其方便、容易掌握的語言特色，現如今已經得到了廣泛的應用，成為了目前單片機編程中應用最多的語言之一。同樣地，由于匯編語言具有簡單實用，控制靈活，實時性強，程序效率高等特點，以及極強的硬件控制能力和用其它高級語言無法控制的軟硬件細節也使得它在單片機編程中得到了廣泛應用。但是由于匯編語言比較繁瑣且較為復雜，綜合考慮，在軟件的設計語言這一部分我們將選擇C 語言。

3.2 小程序開發設計

隨著張小龍發布的小程序正式上線后，小程序完成了應用觸手可及且無需安裝卸載的功能。對于開發者來說，小程序較于普通APP 設計而言難度更低，可以滿足現實生活中一些便捷的基礎應用。而對于用戶而言，小程序更加靈活、便捷，并且不會占用用戶過多的手機空間，且無需進行安裝，所以更加經濟劃算。基于此，對于晾衣架的通訊，我們將采用小程序的設計方式，圖3 是小程序所需完成的后臺功能圖。

對于小程序開發部分，我們主要采用ESP8366 模塊，該模塊可以實現將用戶的物理設備（例如手機、iPad 等）連接到所處Wi-Fi無線網絡上，然后進行晾衣架與互聯網或局域網通信，從而能夠滿足用戶通過小程序來遠程控制單片機的需求。我們采用最常用的TCP 連接，實現單片機和物聯網APP 的兩者互聯。其中TCP 是一種傳輸層協議，在該協議中，需要通信的雙方都要遵循TCP 協議，并且其中任何一方只需得到另外一方的ip 地址和端口號就能和對方建立起以全雙工通信方式的連接。在ESP8266 模塊中也具備TCP/IP 協議棧，用戶通過利用該模塊作為客戶端并使用AT 指令向服務端發起TCP 連接，然后開啟透傳模式，在該模式中，模塊串口收到的數據然后通過TCP 連接并透傳到服務端，從而完成數據從硬件串口通過網絡到程序進程的傳輸，實現了軟硬結合。2TCP協議如圖4 所示。

4 結語

隨著經濟基礎的穩步提升，電子產品逐漸替代傳統非電子產品已經成為當代科學發展的主流趨勢。隨著人們生活水平的提高，人們智能化的追求也逐步提高。基于此，這篇文章我們介紹了一種物聯網環境下的新型晾衣架。區別于其他晾衣架而言，該晾衣架不再是僅僅只對衣物進行消毒烘干處理，而且還能夠根據天氣情況或者用戶需求自動伸收晾衣架，從而大大節約了人們的時間，更特別的是，本設計的晾衣架還結合了雙軌太陽跟蹤裝置，實現對太陽的實時跟蹤，從而使衣物得到充分的晾曬，使太陽光能夠得到充分的利用。