智能晾衣系統

◇常州機電職業技術學院機械工程學院 張宇 湯志鵬 袁志剛 顧秋宇 靳敏

隨著現代都市生活水平不斷提高，為解決人們因工作、外出而不能及時收回晾曬在陽臺外的衣服的問題，本文設計了一套智能晾衣系統。該系統通過搭載的溫度、濕度、風速、光照傳感器自動感知室外溫度、濕度、風力和關照強弱的變化，自動控制晾衣架伸出窗外或收回室內，具有反應靈敏、操作簡單、安全可靠、適合老舊小區改造及新小區統一加裝的特點。

1 引言

隨著人們對生活質量的要求越來越高，智能家居的需求也越來越多[1]，尤其需要能夠根據環境變化自動執行預定功能的智能家居，本文所設計的智能晾衣架就是在這樣的產業需求背景下產生。傳統衣架只能固定在屋內或者屋外，屋內晾衣時，晴天效率較低；屋外晾衣時，陰雨天氣無法自動回收[2-3]，室內常用的可升降結構由于采用滾輪和鋼絲繩結構，容易銹蝕，影響使用效果。而目前市面上已有的智能晾衣系統或是結構復雜不可靠；或是功能不足，缺少實際應用的價值[4]；或是價格昂貴；或是仍然停留在設計圖紙上[5-6]，其普遍應用不廣。因此，急需一款智能化晾衣架系統在雨雪大風天氣能反應靈敏的自動收回衣服，不需要人為操作且價格便宜，易于普及。

2 設計思路

該智能晾衣系統通過光感、濕度、溫度等傳感器實時監測室外天氣狀況，并反饋給控制系統，控制齒輪齒條傳動機構開啟或者關閉窗戶，同時自動執行將晾衣桿伸出陽臺或者縮回室內的動作。系統機構簡單可靠，在停電等突發情況下可以手動將衣架收回室內。后續可根據用戶需求，可升級為物聯網實時控制、遠程控制，總體設計框架如圖1所示。

圖1 智能晾衣系統總體設計框架圖

3 設計方案

3.1 機械傳動方案設計

智能晾衣系統采用結構簡單、價格合理的方案設計其主要的機械傳動結構，同時需要滿足適應舊房晾衣系統改造，其主要結構如圖2所示，主要包括控制部分（控制器）、驅動部分（移窗電機和伸縮桿電機）、固定框體部分（窗體）以及移動框體部分（內框推桿和伸縮外框和伸縮齒條）。

圖2 晾衣系統機械傳動結構簡圖

晾衣架布置在方形的內外框結構下，夜間或者不適合晾曬天氣條件下，窗戶關閉，且伸縮電機將內外框完全縮回室內。當系統檢測到室外適宜晾曬衣物時，移窗電機驅動窗戶左右開啟。窗戶完全開啟后，室內伸縮齒條下方的伸縮電機啟動，驅動齒輪與內框推桿向窗外伸出，晾衣架移動中的狀態如圖3左圖所示。當外框完全伸出窗外，為方便衣服更好的接觸陽光，晾衣架上布置有間隔均勻的晾曬孔，便于衣物在室內或室外都能保持適當的間隔，晾衣架完全伸出在室外的狀態如圖3右圖所示。

圖3 晾衣架移動狀態以及室外的狀態

氣候突變的條件下，移窗電機將窗戶左右完全開啟，之后伸縮電機將內外框推桿收回，晾衣架收回室內，晾衣架完全收回室內狀態下，伸縮外框可以將窗戶橫梁上的孔封閉，以防止雨水倒灌，橫梁上的孔為內外框的伸縮提供了足夠的運動空間。當檢測到晾衣架被完全收入室內后，移窗電機開始啟動，左右窗戶等速向中間靠攏直至完全關閉，此時窗戶處于完全密封狀態，避免風和雨水的倒灌，晾衣架在室內的狀態如圖4所示。

圖4 晾衣架在室內的狀態

由于該系統采用齒輪齒條作為驅動連接件，該晾衣系統在停電等緊急情況下，通過手動控制可以較方便的收回晾衣架，關上窗戶，避免斷電或者其他電路故障情況下無法完成晾衣系統晾曬收放工作。系統的機械結構部分采用齒輪齒條，其結構簡單、操作方便并且維護簡單，比市面上傳統晾衣架應用的滑輪或者鋼絲繩等結構更加安全可靠，有效的延長了晾衣架的使用壽命。

惡劣天氣下衣物會被收回室內，因此無需考慮惡劣工況下的晾衣系統受力情況，系統僅需承受晾曬衣物重力。當衣架完全伸出或者完全縮回時，衣架在衣物重力作用下整體受力模型類似懸臂梁結構，伸縮外框或者伸縮內框正好處于橫梁上的方孔中，不僅擋風遮雨，還能有效的借助窗體上梁框架，減少衣架懸臂梁結構的外懸伸量，依此減小衣架的彎曲變形，有效的提高了衣架的承載能力。

3.2 硬件電路方案設計

新型智能晾曬系統能根據外界環境條件，無需人為干預，自動執行最佳的晾曬方案。控制系統驅動機械傳動結構，實現晾衣工作，其主要控制系統采用HP070-33一體控制器，風速傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器檢測風速、溫度、濕度和光照數據，判斷環境條件同時驅動晾衣架伸縮電機和窗戶開關電機執行最佳晾曬方案。本系統傳感檢測裝置中未選用雨滴傳感器，由于雨滴傳感器靈敏度及系統反應時間等原因，當系統檢測雨滴落下之后，衣服已經潮濕，且下雨之前空氣中的濕度較大，利用溫濕度傳感器綜合判斷晾曬條件比采用雨滴傳感器效果更好。對于老舊小區，在窗戶檐加上可拆卸式透光的有機玻璃板擋防止鳥屎或上層落物，也能一定程度防止雨雪淋濕衣物。

本系統利用德控森社DK-3003-CFSFX-N01型超聲波風向風速傳感器檢測氣流，通過氣流對傳感器轉換的電流或者電壓的變化值，換算得到實際的風速和風向。當風速超過系統默認閾值8m/s或人為預先設定值時，系統自動認定風速過大，容易吹落衣物，不適合晾曬。當風向由下向上時，可能導致衣物脫落，被認定為不適合晾曬。

本系統利用美控MEACON-RS485型溫濕度傳感器檢測當前空氣的溫度和濕度，傳感器檢測到的數據轉換為電壓值或者電流值輸入一體機，當濕度大于系統默認的80%或者人為預先設定值時，系統自動認定潮濕程度過大，不利于衣物晾干，系統自動將衣物收進室內并完全關閉窗戶，避免衣物淋雨或者淋雪。當外界溫度達到系統默認閾值45℃時，傳感器將電信號傳輸給一體機，自動設定30分鐘后收回晾衣架；當外界溫度低于系統默認的閾值8℃時，則以其他傳感器的設置閾值作為判斷是否執行的條件，避免因為溫度低而濕度不高錯過較佳的晾曬條件。

本系統利用建大仁科的光照度傳感器測量當前的光照強度，將其轉換為電壓值之后輸入一體機處理，當光度小于系統默認閾值2500SI或者小于人為預先設定值時，系統自動認定天氣轉陰或者接近天黑，不適合將衣物在外晾曬，系統自動收回衣物并關閉窗戶。

各類傳感器采集到的數據輸入HP070-33型一體控制器中，控制器中存儲的程序能夠讓晾衣系統實現自動工作。如符合條件，則馬達得電，傳動系統工作。移窗馬達得電，窗戶開啟，完全開啟后觸發限位的行程開關，使伸縮馬達得電，驅動晾衣架伸出窗外，完全伸出后觸發行程開關，移窗馬達工作，窗戶移動到關窗位置，完全關閉后觸發行程開關，馬達停轉，即實現晾衣功能：窗戶完全打開—衣架完全伸出—窗戶完全關閉。此時晾衣架至指定位置，窗戶關閉，晾衣過程結束。當傳感器給一體控制器信號，則實現收衣的功能，即：窗戶完全打開—衣架完全縮回—窗戶完全關閉。系統的控制電路圖如圖5所示。

圖5 控制系統電路圖

4 結束語

新型智能晾曬系統是一種基于環境感知型的智能裝置，它主要利用光感、濕度、風速三類傳感器來采集周圍環境的各項指標參數，以HP070-33型一體控制器作為主控單元，將各項環境參數與系統默認或者人為設定的閾值進行比較，驅動移窗馬達和衣架伸縮馬達，利用簡單耐用的機械結構實現自動晾衣的功能。本系統設計重點考慮了衣服晾曬的一些基本功能，隨著人們需求日益增加，將會對智能晾衣系統提出更高要求，后續可通過升級硬件設計、增加軟件設計，實現物聯網實時控制與遠程控制，以解決更多更復雜的應用問題。