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具有環境感知功能的智能晾衣架

發布時間:2020-08-27 18:11:21

人體工程學研究與測試實驗室

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1.前言

智能家居所帶來的全新生活方式順應了社會發展的需要,隨著社會經濟結構、家庭人口結構以及信息技術的發展變化,人們對家居環境的安全性、舒適性、高效性提出了更高的要求。同時越來越多的家庭要求家居產品不僅具備簡單的智能功能,更要求整個系統在功能擴展、外延以及服務方面能夠做到簡單、方便、輕松,安全。

而智能衣架可讓人們無論身處何地,都可以高效智能地掌控家居,享受高品質的生活。針對目前傳統晾衣架的現狀,文中設計了一種基于傳感器和通信模塊的自動控制晾衣架,實現集天氣情況監測、通信報警、自動收縮衣架功能于一體的智能控制結構。晾衣架可以感應外界陽光自動晾衣,下雨自動收衣,在家中可用遙控智能控制,對于上班一族而言,還可遠程手機通信。

2.研究現狀

近十年來,隨著國內經濟高速發展及房地產的快速擴張,直接促進了裝修家居行業的飛速發展,其中晾衣架市場已脫穎而出,十年間發展迅猛。智能晾衣架作為一個獨立的行業,已由起步階段逐漸成熟。

由于手搖晾衣架本身存在構造簡單,使用壽命短、保養繁瑣等種種缺陷,無法滿足消費者日益發展的家居智能化需求。原始的晾衣架只是一根穿有繩子或者鐵絲的鋼管,之后借助尼龍繩手動牽引升降,后來發明了尼龍繩式手搖晾衣架,直至八九十年代,晾衣架才進化到了鋼絲手搖式。以廣東好太太為首的手搖晾衣架迅速占領了國內市場。

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到二十世紀初,電動晾衣架橫空出世,南京屋之秀于2003年的廣州家居五金展覽會上首次展示了電動晾衣機。從此,晾衣架市場風云再起。南京屋之秀作為電動晾衣機的開山鼻祖,由于種種原因,已經銷聲匿跡。取而代之的是好易點智能晾衣架的一路升級換代。近幾年,好易點智能晾衣機以其不斷創新的技術,人性化的晾衣體驗,逐步被消費者認可,一時引領了智能晾衣機市場的潮流!

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電動晾衣機在亞洲發達國家及地區起步較早,在日本、韓國、新加坡等國電動晾衣機市場普及率已達40%以上 ;國內電動晾衣機市場正在步入高速發展的快車道,上海、北京、廣州等一線城市市場占有率已達5~10%。未來五年,智能晾衣機必將代替傳統戶外晾衣架、室內手搖晾衣架,成為家庭晾衣的新寵兒。

3.主要架構

智能晾衣架系統由主控芯片,環境感知,無線通信,人機交互,機械控制五部分組成。

(1)主控芯片采用STC12C5A60S2單片機對收到的信號進行判斷從而控制機械結構 ;

(2)環境感知部分由光照傳感器和雨量傳感器組成,可讀取外界的光照強度和雨量大小,然后將信號發給單片機 ;

(3)無線通信主要由藍牙通信和GSM通信組成,可以遠程控制晾衣架 ;

(4)人機交互部分可以實現手動控制晾衣架 ;

(5)機械控制部分實現晾曬衣物的功能。

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4.工作原理

當光照傳感器讀取到的光照強度高于預設值時,單片機接收到晾衣的信號,發出指令使直流電機正轉,直流電機的轉動帶動了機械部分工作,機械臂則通過帶動晾衣架上升實現晾曬衣物的目的 ;當雨量傳感器讀取到的雨量大于預設值時,單片機接收到收衣的信號,同時發出指令使直流電機反轉,直流電機的轉動帶動機械部分工作,機械臂通過帶動晾衣架下降收回衣物。

考慮到晾衣架是否能夠成功伸出并收回,系統加入了調整方向的功能。由于生活中還存在臨時晾收衣物的情況,故在系統中加入了藍牙模塊和GSM模塊。當人們距離晾衣架系統較遠時,可使用GSM模塊對系統進行控制,例如手機發送短信。當人們距離晾衣架系統較近時,考慮到使用GSM模塊會產生流量,話費等問題,在系統中加入了藍牙模塊,可通過藍牙對系統進行控制。

此外,考慮到部分人群不使用手機的情況,可通過按鍵方式控制該系統。按鍵分別對應晾衣,收衣,上升,下降,伸出,收回等功能,當用戶按下相應按鍵時,單片機就會接收到相應信號,從而發出指令實現該功能。同時,液晶顯示屏會對當前系統的狀態進行顯示,以便人們更直觀地觀察到智能衣架的運行狀態。

5.主控芯片介紹

STC12C5A60S2系列單片機是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,是集高速,低功耗,超強抗干擾等特點于一身的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統8051,但速度比傳統8051快8~12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換。

6.環境感知部分

考慮采集到的數據精度,文中選用NHZD10光照傳感器。NHZD10光照傳感器采用進口專用照度傳感核心,光學材料窗口,鋁合金殼體結構,具有結構堅固、密封性好、使用壽命長、測量精度高、穩定性好,輸距離長、抗外界干擾能力強等特點??蓮V泛用于環境、溫室、實驗室、養殖、建筑、高檔樓宇、工業廠房等各類室內外光線強度測量。技術參數見表1所列,實物如圖2所示,光照傳感器電路原理圖如圖3所示。

集成運放A2采用LM324,它構成了電壓比較器電路。調節電位器R使在陰天情況下,集成運放A2輸出高電平 ;當太陽光照到光敏元件NHZD10時,集成運放A2輸出低電平。


考慮到使用的光照傳感器自帶AD接口,單片機自帶2路AD功能,而光照強度的轉化使用了單片機的AD轉化功能,因此將采集的光照強度的模擬量通過AD轉化為數字量,從而對光照強度值進行判斷。當ADRJ=0時,如果取10位結果,則按式(1)計算 :

AD=1 024×(Vin/Vcc)(1)

其中,Vin為模擬輸入通道輸入電壓,Vcc為單片機實際工作電壓,

將單片機工作電壓作為模擬參考電壓。

文中使用通道0作為AD的輸入端口,360個時鐘周期轉換一次,由于使用的光照傳感器量程為0~200 000 lux,AD采用10位轉換,故每一格代表200 000/(210)=195,光照強度值由195×AD得到。

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7.雨水檢測單元設計

雨水檢測使用了雨量傳感器,雨量傳感器參數見表2所列,實物如圖4所示。

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傳感器的集成運放Al采用LM324,其構成了電壓比較器電路,其原理圖如圖5所示。當沒有雨滴落在由敷銅板做成的傳感器上時,集成運放A1輸出高電平 ;當雨滴落在由敷銅板做成的傳感器上時,集成運放A1輸出低電平。此時,單片機AD模塊可以通過測得的不同水量得到不同的電壓,當單片機接收到電壓變化過大的信號時,就會發出指令使衣服收回。雨量傳感器工作原理和光照傳感器的工作原理相似,通過通道1進行AD轉換,利用公式(1)進行AD計算。

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8.電機驅動模塊設計及電機選擇

通過對市面上主流的電機驅動芯片進行分析,文中選擇L298N電機驅動模塊。L298N具有驅動能力強,發熱量低,抗干擾能力強等特點,使用大容量濾波電容,續流保護二極管,可提高其可靠性。L298N參數見表3所列,實物圖如圖6所示。

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L298N電機驅動模塊可以同時驅動兩個直流電機。但由于系統只用L298N驅動一個電機,因此文中只介紹驅動一個電機的原理。OUT1和OUT2分別接電機的兩個端口以驅動電機。

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IN1和IN2分別控制電機的正轉和反轉,當光照強度高于預設值時,IN1處于低電平,電機正轉;當雨量大于預設值時,IN2處于低電平,電機反轉,電機正反轉控制電路如圖7所示。

L298N有兩個電源端口,分別為12 V和5 V,12 V接入外部電源,5 V接入單片機。當外部電源供電時,電機只能按照預設方向轉動,只有當外部電源和單片機同時開啟時,才能控制電機的轉動方向。

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考慮到晾衣架的驅動需要大扭矩電機,因此選擇直流減速電機。直流減速電機即齒輪減速電機,在普通直流電機的基礎上,加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱可提供較低的轉速與較大的力矩。同時,齒輪箱不同的減速比可提供不同的轉速和力矩。此舉大大提高了直流電機在自動化行業中的使用率。圖8所示為選擇的直流減速電機實物圖。

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在某些特殊情況下,需要控制衣物收回的速度,因此要求電機的轉速可變,故通過PWM信號控制直流電動機的轉速。PWM控制方式是對逆變電路開關器件的通斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或所需波形,即在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖,使各脈沖的等值電壓為正弦波形,獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制,即可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。PWM控制的波形如圖9所示。

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由波形圖可得,在一個脈沖周期T內的平均電壓Ua可由公式(2)計算 :UTtUap=(2)式中,Up為脈沖幅值。我們通過改變脈沖信號中高電平所占的比例,就能改變驅動電動機的平均電壓,從而達到電動機調速的目的。因此,我們設計了基于PWM原理的H型橋式驅動電路并通過按鍵控制占空比。

PWM電路由復合體管組成的H型橋式電路構成,四部分晶體管以對角組合分為兩組,根據兩個輸入端的高低電平決定晶體管的導通和截止。4個二極管在電路中起到防止晶體管產生反向電壓的保護作用,防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大??刂葡到y電壓統一為5 V電源,當復合管基極由控制系統直接控制時,控制電壓最高為5 V,加之晶體管自身壓降,加到電動機兩端的電壓約為4 V,嚴重減弱了電動機的驅動力。

基于以上考慮,文中采用TLP521-2光耦集成塊將控制部分與電動機的驅動部分隔離,在輸入端各通過一個晶體管增大光耦的驅動電流。PWM控制直流電機轉速原理圖如圖10所示。

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9.藍牙通訊

使用藍牙通訊能夠近距離通過藍牙設備控制電機的正反轉,實現晾衣架伸縮的目的,大大增加了系統的可操作性和方便性。HC-06是主從一體化的藍牙串口模塊,首先將HC-06與單片機連接,然后與手機配對,配對成功后手機發送AT指令給藍牙模塊,單片機通過判斷接收到的AT指令控制系統運行。單片機與藍牙之間通過串口通信和外部中斷接收數據,當接收到的數據為01時,電機正轉 ;當接收到的數據為02時,電機反轉;當接收到的數據為03時,電機停止轉動。

此外,通過藍牙串口通信App可隨時觀察藍牙設備與手機的連接情況和接收到的數據。

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GSM

通訊GSM通信使用SIM900A接收手機發送的短信,然后將指令傳輸給STC12C5A60S2芯片,從而實現晾衣架的遠程控制。SIM900A實物圖如圖11所示,與控制器的連接如圖12所示。

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軟件控制流程為SIM900A無線通訊模塊接收到外來短信后,將指令送給STC12C5A60S2主控芯片,單片機通過判斷發送過來的指令控制電機的正反轉從而實現晾衣架的伸縮功能。主程序流程如圖13所示。


11.機械結構部分

機械結構是使晾衣架能夠自動伸縮的傳動裝置,當單片機接收到指令時,電機就會轉動,從而帶動機械部分把晾衣架收回及晾出。機械結構通過UG NX10.0設計,由剪叉式伸縮桿、支撐底座、內部機械結構組成,光照傳感器、雨量傳感器、單片機和三個直流電機均設置在機械箱內。機械結構3D示意圖如圖14所示。



在機械箱的一個側面設置凹槽,凹槽內設置一個滑槽,剪叉式伸縮結構通過螺栓連接在滑槽內,機械箱內設置有滑塊、螺紋桿和直流電機,通過直流電機的轉動帶動螺紋桿轉動,從而帶動與滑塊連接的剪叉式伸縮結構橫向伸縮。在晾衣架外部設有傳感器,當光照傳感器讀取到的光照強度高于預設值時,單片機執行晾衣指令,即發出指令使三個直流電機正轉,一個直流電機的轉動帶動剪叉式升降結構從下部滑軌和上部滑軌組成的長方體結構中伸展開,另一個直流電機的轉動帶動剪叉式伸縮結構伸出從而使整個晾衣架伸展開,達到晾衣的目的。

當雨量傳感器獲取的雨量值大于預設值時,單片機執行收衣指令,即發出指令使三個直流電機反轉,一個直流電機的轉動帶動剪叉式升降結構收縮回下部滑軌和上部滑軌組成的長方體結構中,另一個直流電機的轉動帶動剪叉式伸縮結構收縮回機械箱中,從而使整個晾衣架收縮,達到收衣的目的。

12.安卓APP設計

為了加強該智能晾衣架的可操作性,我們給系統設計了手機App,近距離時,用戶可通過App對系統進行控制。App基于Android 4.0系統,采用Eclipse集成開發環境,借助Eclipse平臺,在Layout文件中采用相對布局的方式設計完成軟件界面。界面內容如圖15所示。用戶通過輸入用戶名和密碼登錄后,可以選擇功能,調整參數設置以對感應的光照強度值進行調整,設備管理可對系統進行開機和關機控制,操作指南對系統的使用進行說明??刂平缑娣譃樗{牙和SIM900A兩部分,打開藍牙后,用戶可通過藍牙對系統進行近距離控制 ;進入SIM900A后,用戶可通過發送短信的方式對系統進行遠距離控制。此外,還可以通過按返回按鈕回到初始界面繼續對系統進行操作。圖15 安卓App界面圖。

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13.結語

本文針對現有傳統晾衣架,設計了一款基于單片機控制的智能晾衣架,通過判斷光照強度和雨量大小對電機進行控制,從而帶動機械結構的工作以達到晾曬衣物的目的。此外,可通過手機連接藍牙模塊實現遠程控制。在未來的工作中,我們將繼續對機械結構進行改進,并增加WiFi控制等功能,以使我們的系統更加完善,便于使用。



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