自適應智能鞋柜的研發

李燦霞 尹曉麗 宗可峰 劉克旭 李振健

摘? 要：隨著社會的發展，智能設備逐漸深入我們的生活，鞋柜作為服務我們生活的家具也在飛速發展，現有的智能鞋柜有烘干、殺菌消毒、祛味、清潔等功能，但是智能鞋柜未做到真正的智能化，鞋的烘干時間需要手工設定，烘干時間太長，損傷鞋的壽命;烘干時間不足，烘干效果不理想，針對以上問題，文章結合物聯網技術、嵌入式系統以及自適應控制技術設計一種可實現自動識別烘干、自動傳輸的智能鞋柜。

關鍵詞：自適應智能鞋柜;自動識別;自動傳輸;濕度臨界值

中圖分類號：TP212;TP368.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0157-04

Abstract：With the development of society，intelligence has gradually penetrated into our lives. As the furniture serving our lives，shoe cabinets are also developing rapidly. The existing smart shoe cabinets have the functions of drying，sterilization，deodorization，and cleaning，but the smart shoe cabinet is not truly intelligent. The drying time of the shoes needs to be manually set. The drying time is too long and damages the life of the shoes;the drying time is insufficient and the drying effect is not ideal. In view of the above problems，this article combines IoT technology，embedded system and adaptive control technology design a smart shoe cabinet that can realize automatic identification，drying and automatic transmission.

Keywords：adaptive smart shoe cabinet;automatic identification;automatic transmission;humidity critical value

0? 引? 言

目前，市場上常見的鞋柜都是一體化烘干，人為規定烘干時間，人的干涉和對鞋濕度的主觀判斷，難以掌握濕度和時間的匹配關系，使烘干質量下降。隨著現代電子智能家具的迅速發展，追求更加智能化的家具成為社會主流。智能家居可以提高人們的生活質量，當下智能家居逐漸深入人們的日常生活中，設計更加美觀大方、功能更加齊全，在未來更加智能化的家具會像液晶電視機一樣席卷全球市場[1]。本文根據現有鞋柜的不足設計了一個集自適應烘干、自動傳輸，并且可遠程控制的智能鞋柜。鞋柜分為自動識別烘干區、自動傳輸裝置、消毒區;設置濕度臨界值，烘干區的識別檢測系統自動識別鞋的濕度，高于臨界值系統將對鞋進行烘干，低于臨界值后通過自動傳輸裝置將其送入消毒區;同時烘干區以及儲存區都安裝有臭氧發生器保證對鞋殺菌消毒祛味的處理。本文基于大學生創新創業訓練計劃項目，目的為利用現代信息科學技術解決智能鞋柜存在的問題，使現代家具更好地服務于人們的生活。

1? 自適應鞋柜的總體系統設計

1.1? 自適應智能鞋柜的系統設計

自適應智能鞋柜的功能有自動烘干、自動傳送、雙重殺菌消毒、溫濕度檢測、遠程控制、狀態顯示等。系統分為四個部分：烘干系統、傳送系統、儲存殺菌消毒系統以遠程控制系統。烘干系統實現鞋溫濕度的檢測、烘干時間的匹配以及第一次殺菌消毒;傳送系統實現鞋由烘干系統到儲存殺菌消毒系統的傳送;儲存殺菌消毒系統實現鞋的二次殺菌消毒以及鞋的存放;遠程控制實現客服用戶從手機APP上查閱鞋柜內的信息。自適應智能鞋柜的總體控制如圖1所示。

1.2? 自適應智能鞋柜的結構設計

鞋柜分為三大區域：烘干區、傳送區以及儲存殺菌消毒區，還有一個遠程控制端。利用隔板（可以上下移動）將烘干區與儲存殺菌消毒區分隔開。烘干區內有壓力傳感器、PTC暖風機、溫濕度傳感器以及臭氧發生器可以對鞋進行自適應烘干和第一次殺菌消毒祛味。傳送區貫穿兩個區域由機械推手以及機械隔門配合，使鞋可以高效地從烘干區傳送至儲存殺菌消毒區。儲存殺菌消毒區安裝有臭氧化發生器、圖像識別以及壓力傳感器對鞋進行二次殺菌消毒祛味并能將鞋有順序的存放。

2? 系統的硬件設計

自適應智能鞋柜控制硬件部分電路圖，如圖2所示。

2.1? 電機的設計以及選型

按照設計要求推手最大行進速度為1 000 mm/s。已知所選同步帶輪直徑為35.75 mm，可以得到行進底座行進時最大轉速n：

最終選定電機型號為42BYGH34-401A，電機具體參數如表1所示。

2.2? 烘干設備的設計和選型

烘干設備最主要的是針對鞋，在不損傷鞋的前提下展開工作，本團隊對鞋的耐受情況進行了調查研究，結果如表2所示，需根據該參數選擇發熱器。

根據鞋的耐溫狀況本文選用暖風機由PTC發熱片和風扇組成，其具有節能、散熱均勻、穩定性良好、耐磨性好等特點[2]。

2.3? 溫濕度傳感器的設計及選型

DHT22數字溫濕度傳感器，使用專用的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術，具有可靠性和穩定性好的特點，此外還有良好的抗干擾能力以及反應迅速、價格便宜、省電等優點，同時可以根據顧客的需要改變封裝形式[3]，溫濕度傳感器的電路圖控制圖如圖3所示。

2.4? 殺菌消毒設備的設計與選型

本文中對現有鞋柜所用的殺菌消毒裝置進行了分析調查得出以下表格，如表3所示。

經過表3對臭氧發生器和紫外線燈管的研究與對比，最終本團隊選擇了殺菌效果好、無二次污染的臭氧發生器。

2.5? 中央控制器的選型與設計

STM32具有節能省電、對各種氣味的靈敏度高、使用壽命長、成本比較低、在簡單電路中可以使用的優點。STM32以模擬量為輸出信號，通過其中的轉換器能將電路轉換成為數字量，方便處理器處理。各類端口使STM32能夠實現模擬信號的采樣與轉換，除此之外還能夠利用處理器為內部系統提供每一刻的時間、溫濕度信息等[6]。

2.6? 傳送裝置的設計

鞋柜體內的直線傳輸采用的同步帶輪、同步帶、電機組成的智能傳輸，本團隊設計的鞋柜內運輸空間是870 mm，同時選用的同步帶輪能夠帶動機械推手在烘干系統和儲存殺菌消毒系統之間運動。

2.7? 機械推手的設計

設鞋柜中每雙鞋的質量不大于0.5 kg。大小為350×150 mm到420×210 mm不等，高度為60～200 mm。對機械推手進行受力分析，使其推力遠大于鞋所受的摩擦力，設置推手的高度為空間高度，厚度為5 mm。

3? 系統的軟件設計

3.1? 軟件系統的總流程設計

整個系統由打開柜門放入鞋開始，進行識別、檢測、判斷、烘干、傳送、殺菌消毒等一系列操作，流程如圖4所示。

3.2? 烘干系統

在烘干系統中判斷鞋的濕度與設定的濕度臨界值的大小關系，確定鞋是否具備烘干的條件，本文中經過研究發現大部分鞋的試用濕度為42.5%，該濕度臨界值適用于北方家庭，根據用戶所在地可以對臨界值做出適當的調整。對不同材質的鞋進行區分，天然皮革耐溫60 ℃、布料和超纖耐溫100 ℃。鞋放入烘干區后不論在什么條件下都要進行1 min的殺菌消毒祛味處理，進行雙重殺菌消毒，祛味更加徹底。

3.3? 傳送系統

在傳送系統通過編程控制機械手移動鞋到儲存殺菌消毒區的位置，節省空間。烘干系統和儲存殺菌消毒系統中間只有一個隔板減少的材料的使用，同時機械推手在工作時推動鞋自動補位。開始時推手會默認鞋自最右向靠近隔門方向排列，當其中一雙鞋被拿走且左鄰的鞋后面沒有鞋時，機械推手會工作把該雙鞋推到左側剛被拿走的鞋的位置。

3.4? 儲存殺菌消毒系統

儲存殺菌消毒系統內安裝臭氧發生器，對鞋進行二次殺菌消毒祛味處理。當鞋柜門被打開時，臭氧發生器會急停，避免對人體造成傷害。該區域內還安裝有圖像識別裝置，客戶在手機端就能看到鞋柜內鞋的擺放位置。

3.5? 遠程控制系統

系統在未來還計劃添加遠程控制系統，該系統通過APP遠程監控，用戶下載APP并注冊賬號，就可在APP上調整鞋的適度臨界值、烘干溫度的數值，實時接受鞋柜內反饋給客戶端的信息，如正在烘干鞋的剩余烘干時間、儲存區內鞋的位置等信息。鞋柜這一功能的實現采用的是STM32芯片，能夠保證ID的唯一性，還能及時地將鞋柜內的信息發送到手機上。

4? 樣機調試

4.1? 自動烘干功能測試

分別在不同天氣下將不同濕度的鞋放入鞋柜中，溫濕度傳感器監測溫濕度，鞋內水分越多烘干時間越長，在不同天氣時外界濕度會對鞋柜內鞋的濕度監測有影響，但影響范圍在可控范圍內，可以達到預期的烘干效果。烘干測試如圖5所示。

4.2? 自動傳輸裝置功能測試

當鞋烘干完成或者不需要烘干的鞋第一次殺菌消毒之后，機械推手到達隔門時剛好隔門上升完畢，能夠使鞋穿過烘干區到達儲存殺菌消毒區。在儲存殺菌消毒區內壓力傳感器會提供給中央控制器空位信息，對鞋進行有順序的放置。該裝置可以將鞋有序存放，完成了預期目標。

4.3? 儲存殺菌消毒區功能測試

當推手回到初始位置時隔門完全關閉，臭氧發生器對鞋進行二次殺菌消毒祛味處理。利用圖像識別裝置能夠及時地在手機上刷新鞋柜內鞋的放置狀態。

5? 結? 論

本文研發的是自適應智能鞋柜系統，系統具有自動烘干、自動傳輸、雙重殺菌消毒祛味以及遠程控制等功能，還能夠保護鞋質量不受損，延長鞋的使用壽命;通過增加APP端接口，未來可以實現自適應智能鞋柜與其他智能家居系統的連接。測試結果表明，自適應智能鞋柜不僅能延長鞋的壽命，對鞋的殺菌消毒祛味處理效果也非常的好;機械推手與控制器配合對鞋進行有順序的放置，操作簡單;整套流程采用家用電，功耗低，運作安全平穩。

參考文獻：

[1] 閔麗紅.成品鞋柜的發展歷程與存在問題 [J].林產工業，2011，38（5）：8-9+17.

[2] 高宗英，丁皓陽，夏昺宸，等.家裝用小型PE管熱熔連接機的研制 [J].黃岡師范學院學報，2018，38（3）：61-63.

[3] 林珠妹.基于DHT22的數字式溫濕度計的設計 [J].佳木斯大學學報（自然科學版），2016，34（2）：223-225.

[4] 王虹.城市污水處理廠消毒工藝的研究 [D].天津：天津大學，2005.

[5] 張璐.關于紫外線筷子消毒機消毒效果的評價 [J].山西醫藥雜志（下半月刊），2009，38（9）：820-821.

[6] 王佳權，王皓，陳少勇，等.基于物聯網的智能鞋柜系統設計 [J].電子技術應用，2017（3）：84-87+91.

[7] 莊工.同步帶傳動的設計計算和使用 [J].機械制造，1989（12）：9-12.

作者簡介：李燦霞（1998.12—），女，漢族，山東泰安人，本科在讀，研究方向：智能制造工程。