基于Arduino的智能避雨晾衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉春龍

晾衣桿作為人們每天使用的家居用品，是大多數(shù)家庭的生活必需品，晾衣桿從開(kāi)發(fā)至今技術(shù)不斷改進(jìn)和變革，但是一直沒(méi)有出現(xiàn)全自動(dòng)化的晾衣桿。

目前使用的晾衣裝置存在許多不便之處，市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)晾衣機(jī)只能提供垂直升、降操作，而且需要通過(guò)紅外遙控，控制遙控操控距離十分有限，距離需小于10米，且需要人為操作，時(shí)空限制大，無(wú)法直接解決出門(mén)在外導(dǎo)致的時(shí)間和空間受限的問(wèn)題。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)感應(yīng)，并判斷天氣從而進(jìn)行自動(dòng)控制的晾衣架。

一、整體方案

與一般的晾衣桿相比，基于Arduino的智能避雨晾衣桿主要在控制器與機(jī)械結(jié)構(gòu)上有較大改進(jìn)。該系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和衣物收放系統(tǒng)組成。DHT11溫濕度傳感器和雨滴傳感器作為數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集環(huán)境中的濕度和降雨量，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)實(shí)時(shí)地輸送給中央控制系統(tǒng)。同時(shí)，中央控制系統(tǒng)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷周?chē)h(huán)境如果為下雨?duì)顟B(tài)，則控制下級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)即衣物收放系統(tǒng)進(jìn)行避雨動(dòng)作。另外，中央控制系統(tǒng)還對(duì)傳感器等各類(lèi)元器件進(jìn)行供電。衣物收放系統(tǒng)主要由兩個(gè)X型伸縮結(jié)構(gòu)和兩個(gè)推桿電機(jī)組成，電機(jī)接收控制器Arduino的信號(hào)，執(zhí)行指令使晾衣桿實(shí)現(xiàn)橫向與縱向拉伸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的收與放。系統(tǒng)功能構(gòu)成圖如圖1所示。

二、硬件組成

該智能晾衣桿的目的是為了實(shí)現(xiàn)晾衣桿的自動(dòng)避雨功能，能夠智能判斷是否下雨，而且無(wú)需人為干預(yù)便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)避雨功能的一套系統(tǒng)，適用于家用晾衣和宿舍晾衣等，消除降雨對(duì)衣物的影響。

本產(chǎn)品系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)、5V直流電源、三色LED燈、按鍵、DHT11溫濕度傳感器、雨滴傳感器、推桿電機(jī)、X形伸縮結(jié)構(gòu)等組成。

本產(chǎn)品系統(tǒng)由三大部分組成：中央控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、衣物收放系統(tǒng)。

1.中央控制系統(tǒng)

以Arduino為主控芯片，配合SensorShieldV5.0拓展模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器和元器件的有效連接。其中包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、輔助操作系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)具備以下基本功能。

（1）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)向中央控制中心上傳所收集的信息，中央控制系統(tǒng)的Arduino芯片是用于存儲(chǔ)創(chuàng)作編寫(xiě)的一套程序，程序會(huì)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并且通過(guò)已編寫(xiě)的程序進(jìn)行合理的計(jì)算，判斷外界環(huán)境是否下雨。

（2）輔助操作系統(tǒng)

在中央控制系統(tǒng)中，有三色LED燈，可根據(jù)燈顏色的變化，判斷該系統(tǒng)的工作狀態(tài)。還可根據(jù)傳感器對(duì)應(yīng)的LED燈判斷該傳感器是否處于正常工作狀態(tài)。

（3）設(shè)備管理系統(tǒng)

對(duì)衣物收放系統(tǒng)等下級(jí)控制設(shè)備進(jìn)行管理。通過(guò)向下級(jí)系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的收放。

（4）供電系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)通過(guò)DC電源輸入接口供電，接入9V層疊電池，并通過(guò)Arduino給各模塊（如DHT11溫濕度傳感器、雨滴傳感器等）通電，以保證各模塊的正常運(yùn)行。

2.數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行采集，在該設(shè)計(jì)中的意義是讀取濕度值，與雨滴傳感器相結(jié)合能夠降低該智能晾衣桿的誤動(dòng)率。

使用雨滴傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境是否下雨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)下雨時(shí)傳感器輸出低電平（0），當(dāng)沒(méi)下雨時(shí)輸出高電平（1）。當(dāng)使用AO模擬量口輸出時(shí)，也可對(duì)雨量大小進(jìn)行采集，雨量越大數(shù)值越小。

3.衣物收放系統(tǒng)

衣物收放系統(tǒng)由兩個(gè)X型伸縮結(jié)構(gòu)和兩個(gè)推桿電機(jī)組成。兩個(gè)電機(jī)相互配合，以實(shí)現(xiàn)衣物收放控制。

自動(dòng)晾衣架機(jī)械部分采用兩個(gè)傳統(tǒng)X型伸縮結(jié)構(gòu)的結(jié)合，兩個(gè)方向的伸縮架均由推桿電機(jī)控制。在不使用時(shí)，兩個(gè)伸縮架均縮回，整個(gè)晾衣架在陽(yáng)臺(tái)頂部不占用空間。當(dāng)需要掛衣物時(shí)，垂直伸縮架伸展，使晾衣架下降到人手可以直接觸及的高度，無(wú)需再使用撐衣桿。當(dāng)衣物掛完后，垂直伸縮架收回頂部，不占用陽(yáng)臺(tái)空間。同時(shí)水平伸縮架伸出，使衣物伸到陽(yáng)臺(tái)外受到陽(yáng)光直射。衣架由推桿電機(jī)及雨滴、濕度傳感器控制，可在下雨時(shí)自動(dòng)收回，無(wú)須再擔(dān)心衣物被雨淋濕，機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖見(jiàn)圖2。

三、原理介紹及程序設(shè)計(jì)

1.整體原理介紹

本產(chǎn)品系統(tǒng)通過(guò)雨滴傳感器與溫濕度傳感器傳輸數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)，并將MCU控制板輸出接口與機(jī)械傳動(dòng)信號(hào)相連接，控制機(jī)械的傳動(dòng)。

具體來(lái)說(shuō)，雨滴傳感器將通過(guò)信號(hào)線(xiàn)和MCU（Arduino）的模擬I/O口連接。雨滴傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)滴在雨滴檢測(cè)板上的雨量大小，雨量越大傳入MCU的數(shù)值越小。

DHT11溫濕度傳感器通過(guò)信號(hào)線(xiàn)和MCU（Arduino）的數(shù)字I/O口連接。傳感器實(shí)時(shí)收集外界的溫度與濕度，將所收集的環(huán)境溫濕度以攝氏溫度和相對(duì)濕度為單位，以數(shù)字形式傳入MCU。

MCU將所收集的環(huán)境信息進(jìn)行有效處理，當(dāng)雨滴傳感器傳回的值小于設(shè)定值，且環(huán)境濕度大于設(shè)定值（85%）時(shí)判斷環(huán)境處于下雨?duì)顟B(tài)。此時(shí)，MCU馬上傳輸避雨信號(hào)給合適的機(jī)械傳動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)所需的避雨功能。

系統(tǒng)的控制面板上方有一個(gè)三色LED燈，分別定義為手動(dòng)模式（藍(lán)）、智能模式（綠）及輸出機(jī)械傳動(dòng)正在運(yùn)行（紅）。三色LED下方設(shè)置四個(gè)按鍵，可通過(guò)遠(yuǎn)程智能模式、手動(dòng)模式等讓機(jī)械實(shí)行相應(yīng)的避雨傳動(dòng)。

2.程序設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖3。

四、具體實(shí)施方案

雨滴傳感器與溫濕度傳感器通過(guò)感應(yīng)外部因素并進(jìn)行精確的分析，向傳感器MCU控制器輸入信號(hào)指令，傳感器接收信號(hào)并輸出控制推桿電機(jī)推和拉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避雨功能。

系統(tǒng)的運(yùn)行分為智能模式和手動(dòng)模式兩種，智能模式是為了滿(mǎn)足人們外出后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷當(dāng)前環(huán)境，在必要時(shí)通過(guò)衣物收放系統(tǒng)將衣物收回，而手動(dòng)模式是為了方便用戶(hù)收、掛衣服使用。

1.智能模式

按下智能模式按鈕（指示燈由藍(lán)轉(zhuǎn)綠），進(jìn)入智能判斷避雨模式。

·當(dāng)處于下雨?duì)顟B(tài)：雨滴傳感器與溫濕度傳感器開(kāi)始工作并通過(guò)MCU控制板分析確定有雨（指示燈由綠轉(zhuǎn)紅），MCU傳送信號(hào)給合適的機(jī)械傳動(dòng)部分。推桿電機(jī)實(shí)行相應(yīng)的避雨傳動(dòng)。

·當(dāng)處于無(wú)雨?duì)顟B(tài)：雨滴傳感器與溫濕度傳感器開(kāi)始工作并通過(guò)MCU控制板分析確定無(wú)雨（指示燈由綠轉(zhuǎn)紅），MCU傳送信號(hào)給合適的機(jī)械傳動(dòng)部分。機(jī)推桿電機(jī)實(shí)行遠(yuǎn)離遮擋物的傳動(dòng)。

2.手動(dòng)模式

按下手動(dòng)模式按鈕（指示燈變?yōu)樗{(lán)色），進(jìn)入手動(dòng)避雨模式。

·當(dāng)按下避雨按鈕時(shí)，MCU傳送避雨信號(hào)給合適的機(jī)械傳動(dòng)部分，機(jī)械實(shí)行相應(yīng)的避雨傳動(dòng)。

·當(dāng)按下遠(yuǎn)離遮擋物按鈕即放出衣物時(shí)，MCU傳送遠(yuǎn)離遮擋物信號(hào)給合適的機(jī)械傳動(dòng)部分，機(jī)械實(shí)行相應(yīng)的傳動(dòng)。

責(zé)任編輯 陳春陽(yáng)