引 言

在傳統(tǒng)技術(shù)中，居家晾衣通常將晾衣桿固定在陽臺上來晾曬衣物。隨著智能家居的逐步發(fā)展，智能晾衣也逐漸走入人們的生活，例如采用控制拉線來控制晾衣桿的升降，但現(xiàn)有晾衣方式存在以下缺陷：

(1) 晾衣裝置占地面積大，不適用于現(xiàn)有小戶型的住戶。

(2) 城市建筑密集，建筑距離小，陽臺風(fēng)速小，太陽照射時間短，導(dǎo)致衣物晾曬效果差，特別是樓層較低的住戶，衣物晾曬幾天都不能干，即使晾干后，也伴有酸臭味。

(3) 太陽照射時間短，衣物滅菌效果差。

(4) 晾衣桿長度固定不變，晾曬衣物有限。

(5) 晾曬環(huán)境僅限室內(nèi)，無法通風(fēng)晾曬，延長了晾曬周期。綜上所述，現(xiàn)有的晾衣裝置還不能滿足人們的需求。

因此，本文提出了一種可伸縮、旋轉(zhuǎn)的智能環(huán)境感知晾衣架，不僅能實現(xiàn)全過程自動化晾衣，更能智能的根據(jù)環(huán)境變化自動判斷，防止衣物受惡劣天氣影響。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該智能晾衣架集成了多種戶外環(huán)境監(jiān)測傳感器及數(shù)據(jù)傳輸模塊，不僅能在工作狀態(tài)下實現(xiàn)對衣物的全自動化晾曬，還能對戶外的環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并通過無線網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，實時調(diào)控。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖 1 所示。

與單片機相連的雨滴傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器、PM2.5 粉塵傳感器、氧濃度傳感器、風(fēng)速傳感器作為數(shù)據(jù)采集終端，外置實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的全方位實時監(jiān)測，并通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸給 STM32 單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理分析并判斷環(huán)境是否符合晾曬要求，相應(yīng)的控制步進電機實現(xiàn)自動晾曬衣物。另一方面STM32 單片機通過ZigBee 接入室內(nèi)無線局域網(wǎng)與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)共享，同時也將各傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，實現(xiàn)對室外環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 晾衣架的機械結(jié)構(gòu)

為解決目前小區(qū)住宅空間狹小的問題，該晾衣架采用升降和伸縮結(jié)構(gòu)，隨機擴大或縮小晾曬空間，且升降架和所述伸縮架均為菱形伸縮架，菱形伸縮架還可以方便掛晾衣架。為了提高整個晾衣機的晾衣量，在所述伸縮架上設(shè)置有衣架掛孔。在固定安裝箱底部設(shè)置有照明裝置和紫外線照射裝置， 陰雨天氣時，可將衣架在室內(nèi)展開通過紫外線照射裝置對衣物進行殺毒滅菌，通過照明裝置可方便人們使用。

該晾衣機所占用空間可調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)等功能，可根據(jù)天氣調(diào)節(jié)晾衣機的位置，并調(diào)節(jié)伸縮架，實現(xiàn)伸展、收縮，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、承重量大等優(yōu)點。機械結(jié)構(gòu)截面圖如圖 2 所示。

圖 2 智能晾衣架機械結(jié)構(gòu)截面圖

2.2 晾衣架機械結(jié)構(gòu)的控制方法

系統(tǒng)控制晾衣架機械結(jié)構(gòu)的操作通過驅(qū)動步進電機來完成。在晾衣架的安裝箱內(nèi)設(shè)置有兩個步進電機，以控制菱形伸縮結(jié)構(gòu)上下伸縮，菱形伸縮結(jié)構(gòu)的另一端穿出固定安裝箱底部與升降平臺連接，在升降平臺中心設(shè)置一個步進電機，輸出軸豎直向下，該旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸上連接有旋轉(zhuǎn)抵接箱， 在旋轉(zhuǎn)抵接箱內(nèi)設(shè)置有至少一個步進電機控制小型菱形伸縮結(jié)構(gòu)，電機的輸出軸與伸縮架的固定端連接，實現(xiàn)水平伸縮， 小型菱形伸縮結(jié)構(gòu)用于晾曬衣物。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計的硬件主要由晾衣架的機械結(jié)構(gòu)，主控模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

3.1 主程序工作流程

本系統(tǒng)主程序由C 語言編寫，在前端傳感器數(shù)據(jù)采集的控制邏輯上根據(jù)現(xiàn)實環(huán)境模擬實現(xiàn)對環(huán)境的智能感知。其程序流程圖如圖 3 所示，在系統(tǒng)工作時，根據(jù)正常晾曬狀態(tài)初始化傳感器，并根據(jù)實測環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)定各傳感器閾值以及步進電機的旋轉(zhuǎn)角度。在各傳感器檢測環(huán)境狀態(tài)適合晾曬衣物時， 步進電機旋轉(zhuǎn)指定角度伸展衣架。

3.2 主控模塊 

單片機采用 STM32 系列低成本嵌入式開發(fā)板，該處理器 在 16 位單片機基礎(chǔ)上做了進一步提升，具有功耗低、成本低 等特點。在運算能力方面，該開發(fā)板的增強型系列時鐘頻率 可達 72 MHz，能夠完全滿足全系統(tǒng)的高效運算。在外設(shè)方面 也有較為出色的控制和聯(lián)接能力。系統(tǒng)選用 STM32F103RBT6 作為 MCU，該芯片具有 20 K SRAM、128 K Flash、3 個普通 的 16 位定時器、一個 16 位高級定時器、2 個 SPI、2 個 I2C、 3 個串口、一個 USB、一個 CAN、2 個 12 位的 ADC、51 個 通用 IO 口。配置豐富、功能完善且價格低廉，故選其作為系 統(tǒng)主控芯片。

3.3 傳感器模塊

系統(tǒng)選用的STM32 主控芯片內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 可以直接轉(zhuǎn)換來自傳感器發(fā)送的模擬信號，因此采用的傳感器可直接與單片機的A/D 輸入口相連，減少了中間的轉(zhuǎn)換電路， 增強了可靠性。

3.3.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊采用主流的DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。該數(shù)字溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，具備超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。可一次性傳輸 40 b 數(shù)據(jù)，其中包括 16 b 濕度數(shù)據(jù)、16 b 溫度數(shù)據(jù)、8 b 數(shù)據(jù)校驗和，其濕度測量范圍為20% ～95%，濕度測量誤差為 5%，溫度測量范圍為 0 ～50℃，溫度測量誤差為 5℃。具有儀表級測量性能。

3.3.2 雨滴傳感器

目前市場上廣泛使用的雨滴傳感器結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉， 主要由 S型紋路刻蝕覆銅板構(gòu)成。工作時，當雨滴落到覆銅板正面時，S 型紋路的刻蝕紋路會構(gòu)成一個回路，電路導(dǎo)通， 等同于一個簡單的開關(guān)。當太陽光將覆銅板上的雨水蒸發(fā)吸收完后，電路斷開，此時說明陽光充足適合晾曬衣物。雨滴傳感器電路原理圖如圖 4 所示。

3.3.3 光照強度傳感器

光照強度傳感器用于檢測太陽光強度，廣泛用于LCD 顯示屏的環(huán)境光感應(yīng)，以達到自動調(diào)整屏幕背光亮度的目的。本系統(tǒng)采用市場上廣泛使用的GY-30 數(shù)字光模塊，該光模塊不僅性能突出、價格低廉且光譜范圍與人眼相近，因此能夠準確判斷室外光線是否充足，以實現(xiàn)高效率的衣物晾曬。

3.4 無線傳輸模塊

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，主控芯片接收各傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)， 在自身處理之后還需將數(shù)據(jù)發(fā)送到室內(nèi)智能家居系統(tǒng)和云服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和統(tǒng)計分析。目前，在智能家居領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用中，2.4 GHz 的ZigBee 和 900 MHz 頻段的Z-Wave 兩大應(yīng)用最為廣泛。基于IEEE 802.15.4 協(xié)議的ZigBee 協(xié)議標準具有低復(fù)雜度、低功耗、自組織、低數(shù)據(jù)速率、近距離等特點， 且節(jié)點間通信可靠性高。目前ZigBee 已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)事實上的協(xié)議標準。故系統(tǒng)采用 2.4 GHz 這一頻段來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。選用ZigBee 無線傳輸模塊一方面能夠保證數(shù)據(jù)準確、高效、可靠的傳輸，另一方面還可提升與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)之間的兼容性。

在該系統(tǒng)中，各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳到主控芯片后，一方面會根據(jù)數(shù)據(jù)判斷當下環(huán)境是否符合晾曬條件，并做出相應(yīng)的動作。另一方面將采集的數(shù)據(jù)打包，而此時 ZigBee 傳感器節(jié)點與單片機通過串口將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點是室內(nèi)智能家居系統(tǒng)的組成部分，與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié) 語

本文針對當下日常生活晾曬衣物的難題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了智能環(huán)境感知晾衣架，采用多個傳感器采集、傳輸、共享室外環(huán)境數(shù)據(jù)，不僅能實現(xiàn)全自動化晾衣，節(jié)約空間、時間的高效晾曬，更能在晾曬的同時準確、及時地采集戶外光照強度，氧氣濃度，PM2.5 值，溫濕度，風(fēng)速等。再與室內(nèi)智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以最簡單快捷的方式確保室內(nèi)環(huán)境更益于人的身體健康。目前已制作出能實現(xiàn)基本功能的樣品，可全自動化晾曬衣物并及時、精確的發(fā)送數(shù)據(jù)。若在市場上適當推廣，當使用量達到一定程度時，所采集的數(shù)據(jù)存放于云端進行在線分析，可對小區(qū)域環(huán)境進行評估，對天氣進行預(yù)測。