家用智能多方位清洗式鞋柜設計

海翔宇 楊宛螢 黃 韜 馬澤宇

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著全球病毒滋生蔓延，人們越來越重視家居環境衛生，家庭使用的鞋柜尤其需要滿足日常清潔和突發疫情防范等要求。鞋柜在智能家居和AIoT 的熱潮下被重新定義，人工智能和物聯網結合后，賦予鞋柜的將不僅僅是功能上的多樣性，還有基于算法和智能互聯帶來的一系列交互體驗，鞋柜等家居產品都將變得越來越智能化、人性化[1]。傳統的鞋柜功能單一，遠遠無法滿足現代社會環境下疫情防控、日常清潔、智能操控、實時交互等需求[2]。隨著足部醫療護理及衛生防控的需求增加，不僅家庭需要，醫院、游泳館等公共場所也亟需更適合大眾需求的多功能智能鞋柜，而且消費水平地提升使鞋類價值上漲，高檔鞋子的清潔保養不可忽視，智能鞋柜市場前景十分廣闊[3]。

該研究旨在設計一種將清潔擦拭、照明、通風、烘干、殺菌消毒、智能監測等功能集于一體的智能鞋柜。除了基本的使用功能外，還能結合多種傳感器進行清洗狀態的實時監測和居家異常狀況的自動報警，使鞋柜在儲存鞋的同時能有效殺滅細菌病毒，預防疾病。實時數據交互帶給用戶更加安全舒適和智能化的體驗，從而提高人們的生活水平，滿足用戶出差歸家和居家生活等多種場景需要[4-5]。考慮到現有市場對鞋柜的需求，該設計將設計重點放在實現鞋柜的智能化上，對傳統鞋柜進行結構改造和功能升級，采用創新的清洗方法和機械結構、嵌入式控制設備、多種傳感系統、人機交互界面等實現智能化一鍵式管理。

1 原理設計

家用多方位清洗式鞋柜提供了清潔擦拭、照明、通風、烘干、殺菌消毒等一站式人性化設計，并采用智能化控制的方式，使整個鞋柜各個功能的實現都能一鍵管理。加入能自主選擇鞋子清洗位置的控制與傳感系統，讓鞋子的清洗過程更加智能，有效彌補了現有市場的空白。參照中央空調的原理對鞋柜通風系統進行創新設計，將消毒、殺菌、清洗裝置一起設立在一個裝置中，這樣既節省了空間也節約了成本，解決了多數現有智能鞋柜密不透風或通風不夠流暢、容易滋生細菌等問題。利用電熱絲發熱烘干鞋子，有效祛濕，防止雨雪天氣使鞋子潮濕，產生霉變。

2 清洗機械結計

智能多方位清洗式鞋柜底座頂部固定設有清洗箱，清洗箱底部兩側通過水管連接水泵，水泵固定設置在清洗箱兩側，水泵頂部出水端通過水管連接金屬管，金屬管水平固定在清洗箱內腔頂部，而金屬管底部設有等距固定的噴頭，液壓伸縮桿可以控制鞋模左右移動，鞋模可以對需要清洗的鞋子進行固定，驅動電機可以通過第一皮帶輪帶動清洗帶旋轉，清洗帶表面的刷絲可以對鞋模上鞋子的鞋底進行清掃，水泵把清洗箱內腔底部的清洗液輸送到金屬管，再從噴頭噴出，可以對鞋底進行清洗，過濾網可以對清洗液中的垃圾進行過濾，可以實現清洗液的循環利用，清洗機構機械示意圖如圖1 所示。

圖1 智能鞋柜的機械示意圖

鞋柜采用格檔設計，上面2 層儲放干凈鞋，下面2 層儲放待洗鞋，當裝置啟動時，傳送帶會開始工作，按照規劃好的順序和時間，將要清洗的鞋子傳送到清洗裝置中。待清洗工作完成后，鞋子會從右邊傳送出去，隨著升降裝置上升到上面2 層，并且按規劃完的順序排好，實現全自動智能規劃路徑，大大減少了人力的使用，并且實現了一次性清潔多雙鞋的效果。

考慮到臟鞋子在導軌上運行時會對導軌造成污染，因此在導軌下也裝配了導軌清洗裝置，臟鞋子對導軌造成的污染會在清潔裝置的作用下流入污物收集裝置，鞋子清洗造成的污染同樣匯集在這里。為了更好地方便消費者使用，將收集裝置設計成抽屜式，能實現更方便地推拉、傾倒處理。為了更好地提高收集裝置的穩定性，還在后面加入了卡扣裝置，使其不易脫離。

3 殺菌除臭系統設計

殺菌除臭系統主要利用紫外線燈和臭氧氣體給鞋子殺菌消毒，以此來殺滅細菌，防止疾病傳播。在臭氧發生器的選型上，根據臭氧產量、臭氧濃度、可靠性使用壽命等因素，選定一款合適的臭氧發生器，在功耗方面，由于鞋柜屬于小型家用電器，因此選用較小功率的臭氧發生器即可。因為環境要求較高，所以優先選用低功率型紫外線燈以避免造成光污染。當用戶發出遙控消毒指令后，多功能鞋柜接收到信號，經振蕩電路對信號進行濾波處理后，再經功率放大器件驅動除菌燈和臭氧發生器工作，實現鞋子的全方位消毒殺菌。殺菌除臭系統控制流程圖如圖2 所示。

圖2 殺菌除臭控制流程圖

4 系統軟件設計

4.1 加熱除濕程序設計

在加熱除濕的程序設計上，由于系統需要達到用戶設定的溫度和濕度并且保證最大化節能，因此，使用增量式PID 算法對系統進行控制，而且加熱器本身為慣性系統，其公式如式（1）所示。

式中：e[n-1]為上一次偏差，e[n-2]為上上次偏差，為上一次累計誤差之和，T 為采樣周期，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，Kp為比例常數。

式中：u[n-1]為上一次的輸出量，u[n]該次輸出量，得到的公式如公式（3）所示。

當時間達到用戶所設定的定時加熱除濕時間時，系統自動啟動開始工作，達到用戶設定的加熱除濕時間后停止工作。具體的操作方法為取當前溫度與設定的目標溫度的差作為偏差Ke，并跟隨系統周期迭代更新，得到偏差組Ke[n]，其中包括了想要記錄的最近的一系列歷史偏差，帶入增量式PID 公式即可得到對應的輸出量，將輸出的數字量累加后，用單片機以PWM 波的形式發送給加熱器的控制器，即可完成對加熱除濕器的控制。在調試該PID 參數時要特別注意該模型的慣性，即應在即將達到預設溫度時就停止加熱，用余溫加熱而不是在溫度達到后再停止加熱，以此來節省電量，因此需仔細調整該慣性PID 系統的參數。

4.2 殺菌除臭程序設計

在殺菌除臭方面采用殺菌除臭模塊，通過繼電器控制，程序上單片機循環掃描用戶指令，利用I/O 輸出高低電平，配合定時器實現除菌燈和臭氧發生器的啟停控制。通過空氣狀況測量裝置實時監測鞋柜內的空氣狀況，確保鞋柜內的空氣質量。另外還需要使用臭氧濃度傳感器檢測鞋柜內外的臭氧濃度，以避免造成臭氧泄露。

5 結語

該文提出的家用智能多方位清洗式鞋柜除了具有清洗、消毒殺菌、烘干等全方位功能外，還增加了清洗狀態檢測、異常狀態報警等創新功能。在人機交互性方面，可與人進行實時數據反饋。使用者還可以通過鞋柜觸控設備選擇和設置清洗模式，自定義模式提高了鞋柜的個性化水平。同時該產品結構設計直觀，操作便捷，具有一定的自清理功能，解決了現有鞋柜密不透風、容易滋生細菌、智能化及人性化程度低等問題，滿足了人們對家具的智能化和人性化需求，有一定的創新意義和市場空間。