物联网环境下的新型智能晾衣架

张铃 廖艺灼 黄焱

（重庆西南大学 重庆市 400715）

在这个快节奏的电子时代，人们的时间观念逐渐加强，日程安排也日益紧密，越来越多的人开始追求更加快捷、更加智能的生活方式。因此，智能家居产品在这几年如同雨后春笋般呈现指数式的增长，并逐渐走入人们的日常生活中。而作为每个家庭家居必需品的晾衣架，其基本作用无非是晾晒衣物被褥等，但传统的晾衣架必须手动去拉动，每天早开晚关十分麻烦，而目前市场上的自动晾衣架也只能提供垂直升降操作。为提供舒适、便捷、时尚的生活环境，物联网环境下的智能晾衣架可根据天气情况实现智能晒衣服和收衣服的自动化控制、实时跟踪太阳，使衣服能得到充分晾晒。其中相关传感器可检测衣服的干湿程度从而实现控制衣服的收回，防止暴晒；除此之外用户还可以通过遥控器，实现手动按键来控制晾衣架的升降和工作状态或者利用手机上对应APP 实现与该晾衣架的通信来完成上述功能。考虑到用户可能不在家的情况，该晾衣架还搭配了在自动模式下可以自行根据周围环境湿度、光线强度以及雷雨等情况进行自动伸收的功能。为了保证用户对安全性的追求，该自动晾衣架还将带有利用电阻应变片而制成的超重检测模块。软件部分则采用了模块化设计思想，实现了对晾衣架自动伸收控制、超重报警以及追踪太阳等功能。

1 系统控制原理

按照模块化设计的思想，该晾衣架大致可分成单片机最小系统，太阳实时追踪，通讯模块，光照强度、温湿度传感器检测模块，外界环境雨滴检测模块，衣服干湿状态检测，电机控制执行部分和限位开关组成。晾衣架的控制装置主要以单片机AT89C51为控制核心。为实现超重检测，我们采用电阻应变片组成的超重检测电路；另外，为了实现晾衣架机械自动的升降功能，对应遥控控制方式，我们将通过手动按键发出对应遥控信号控制电机驱动电路，从而带动对应直流电机的正或者反转来实现晾衣架的升降，而对于其中的无线发送接收模块，我们将采用编码解码芯片，例如SC2262/SC2272，然后通过SC2272 编码解码对应信号并将其转化为电信号来实现对单片机的控制，最后利用单片机来控制继电器的吸或者和从而驱动直流电机的正、反转，实现晾衣架的开或者合。为了防止晾衣架过卷，在这里，我们还将使用行程开关来对晾衣架的位置进行检测。为了显示晾衣架的工作状态，在此我们将采用发光二极管电路，例如红灯亮时说明晾衣架处于自动模式，即：天亮时自动打开晾衣架，天黑时自动关闭晾衣架；蓝灯亮时强行使系统电机正转，使晾衣架伸出，黄灯亮时强行使电机反转，使晾衣架收回，而当晾衣架碰触到行程开关时，使相应的指示灯闪烁几下，同时使晾衣架的电动机停止。另外，为了践行安全放心的原则，我们还将设计报警电路，为防止电流异常产生火灾等情况，晾衣架中对应的电流采样及转换电路对电路情况进行实时监控，以达到过流保护功能，当产生过流或超重现象时晾衣架及时声光报警，从而防止意外发生；随着太阳能的广泛利用，为了提高对太阳的利用率，我们还考虑将双轴太阳跟踪系统与晾衣架结合，使晾衣架能够实时跟踪太阳，从而使所晾晒的衣服都能够得到充分的晾晒。对于晾衣架设计的软件部分，我们主要采用了模块化设计的思想，并且编制了各个模块的流程图，实现了对晾衣架自动伸收控制、超重报警以及追踪太阳等功能。在智能晾衣收衣的功能上，该晾衣杆还增加了用户手机小程序控制和遥控器控制，从而实现了在短程距离里，用户也可以通过手机app 来实现对晾衣架运行状态的实时控制。

图1：复位电路

图2：正反转控制电路

2 智能晾衣架系统硬件设计

2.1 单片机最小系统模块设计

主控芯片：由于C51 单片机的广泛使用以及较为成熟的理论系统，在这个智能晾衣架的设计中我们将采用STC89C51 为主控芯片。下面我们将阐述其外围电路的设计，首先是时钟电路：由于C51 单片机内部有一个高增益的反相放大器来构成振荡器，所以在本设计中我们将采用6MHz 的晶振。复位电路：据相关资料可知，为了实现系统的复位操作，单片机最小系统经常采用上电自动复位或者手动按键复位这两种复位方式，其中对于上电复位而言，一般要求当接通电源后单片机最小系统能够自动实现复位操作；而对于手动复位而言，则要求电源接通时，能够使在运行期间单片机可以用按钮开关这类操作使其复位。对于本篇文章中的单片机而言，考虑到可实用性及尽可能的降低成本，我们将采用按键设计的方式，且本系统将采用机械触点式按键。复位电路如图1 所示。

2.2 通信系统模块设计

本晾衣架的通信方式主要包括手动遥控和用户手机小程序控制这两种方式。下面，我们将分别针对这两种控制方式进行设计。遥控的电路设计：该晾衣架系统将采用sc2262 和sc2272 来进行遥控和接收，其中我们将会使用12V 电池对遥控器部分进行供电，只有当用户按下按键后，发射模块的电源端才会被连通从而发出信号。Wi-Fi 控制设计：该晾衣架系统利用ESP8266-12 芯片实现将用户的物理设备（例如手机、ipad 等）连接到Wi-Fi 无线网络上，使得晾衣架与用户的物理设备进行互联网或局域网的通信。不管是采用遥控控制还是利用用户物理设备进行控制，用户都可以实现对晾衣架工作模式的控制，即自动或者是手动模式；除此之外，用户还可以自行设置晾衣架的伸缩升降状态，以使用户可以方便的控制晾衣架的状态。

2.3 定时收衣及自动检湿状态系统设计

为了实现晾衣架能够根据天气状态自行进行定时收衣、晾晒衣服的功能，该晾衣架可自行感知光线以及检测温湿状态的功能。所以在此我们将对系统的光线检测模块、电机正反转控制模块以及湿度检测模块进行介绍。首先是感知光线检测模块：该晾衣架的自动模式是当天黑时即光线较暗时能够自动闭合晾衣架，收回衣物，而当天亮即光线较亮时能够自动拉开晾衣架，晾晒衣物，从而我们想到利用光敏传感器实现对外界环境光线的检测，然后将信息反馈到单片机，以实现晾衣架的自动化。除了检测外界环境光线情况之外，我们还需要感知外界环境是否下雨或者其他不利于衣服晾晒的天气，据此我们想到使用湿度检测模块，在此我们直接采用DHT11温湿度传感器。感知对应天气状况后还需实现直接控制晾衣架的升降，对于晾衣架的结构上，晾衣架的主体框架两侧将设置对应的滑轨以减小摩擦从而节省能源开支并延长晾衣架的寿命，对应晾衣杆两端将设置滑轮并将其支承在主体框架上，然后使用强度较大的绳子与可滑动的晾衣杆连接，带动它在滑轨上滑动。在通过编程使得单片机直接控制两个继电器的吸和状态然后对直流电动机的旋转方向进行控制，让电机直接带动牵引绳从而拉动滑动晾衣杆，实现晾衣架的升降状态。正反转控制电路如图2 所示。

2.4 安全报警模块设计

众所周知，随着现代经济的不断发展，人们对于安全的意识越来越重，对于本晾衣架我们也设计了相应的安全检查模块对晾衣架的状态进行检察。首先由于晾衣架要伸出窗户，所以我们首先考虑到的是高空坠物的问题，也就是说我们要对晾衣架所晾晒的衣物进行严格的管控，据此我们设计了可实现对晾衣架衣物重量进行检测并当发生超重时可及时报警通知的电路，该电路模块中我们主要使用可电阻应变式传感器，当用户晾晒衣物时，称重传感器上所承受的重力将会发生变化，从而导致称重传感器的内部产生相应的电阻变化，最终导致输出的电压发生变化，然后将其电压变化输送到声光报警电路放出警告，告诉用户衣物悬挂过多无法工作。其中声光报警电路内部主要包括信号产生、放大电路和声光报警电路。

2.5 附加功能设计

对于晾衣架这种电器，由于晾晒衣物的功能，据此我们还考虑到对衣物进行消毒和自动进行烘干的功能，从而实现用户对高品质生活追求的目标。消毒主要包括紫外线照射消毒以及臭氧消毒这两种方式。对于紫外线消毒这种方式，由于常用的低压汞蒸气灯主要是产生254nm和185nm的紫外线，所以在智能晾衣架的杀菌装置中，我们将使用254nm 波长的紫外线。而对于臭氧杀菌的方式，我们同样通过汞蒸气来产生波长为185nm 的紫外线，从而将外界空气中的 氧气变成臭氧。当外界天气条件不好或者用户急需所晒衣物时，该晾衣架还需提供烘干的功能，该智能晾衣架的烘干功能基于独创风道设计、多口径出风，全面优化风导向，风效提升60%；持续、恒温暖风，晾晒同时有效烘干，拒绝靠天晾衣。

图3：后台功能图

图4：2TCP 协议

2.6 双轴太阳能跟踪系统

为了使衣物得到充分的晾晒，其中唯一的办法就是要使衣物能够尽可能多的接触到太阳光，也就是极大可能的利用太阳光。据此我们想到利用双轴太阳跟踪系统使晾衣架能够自动跟踪太阳使衣物得到充分的晾晒。只要我们事先按预定的位置调整太阳能电池板的朝向，即使是在天气变化较为复杂且无人看管的情况下，该晾衣架可跟踪太阳，从而提高了对太阳的利用率，加大了对衣物的晾晒。

以双轴跟踪为基础的传感器双轴跟踪已经得到了广泛的应用。对于该部分系统硬件的设计，我们主要分为三个部分，即传感器模块、控制模块以及电机驱动电路模块。对于传感器模块内部主要包括硅光电池、采样电路以及能够将太阳光转化成为电压信号以供单片机采集的装置。控制模块中单片机可以通过ADC 模块来读取采样电路的电压值，然后使用PID 算法计算出晾衣架正面偏离太阳的角度，根据所计算出来的角度输出相应占空比的PWM 信号送至电机驱动电路从而实现对太阳方位的精确追踪。其中电机驱动电路可以根据所输入的不同占空比的PWM 信号来控制相应电机的转速，以实现对太阳角度的平稳跟踪。

3 智能晾衣架系统软件部分

3.1 程序语言选择

在对单片机的程序设计中，我们主要考虑到C 语言以及汇编语言这两种编写方式。其中C 语言是一种结构化的编程语言，由于其方便、容易掌握的语言特色，现如今已经得到了广泛的应用，成为了目前单片机编程中应用最多的语言之一。同样地，由于汇编语言具有简单实用，控制灵活，实时性强，程序效率高等特点，以及极强的硬件控制能力和用其它高级语言无法控制的软硬件细节也使得它在单片机编程中得到了广泛应用。但是由于汇编语言比较繁琐且较为复杂，综合考虑，在软件的设计语言这一部分我们将选择C 语言。

3.2 小程序开发设计

随着张小龙发布的小程序正式上线后，小程序完成了应用触手可及且无需安装卸载的功能。对于开发者来说，小程序较于普通APP 设计而言难度更低，可以满足现实生活中一些便捷的基础应用。而对于用户而言，小程序更加灵活、便捷，并且不会占用用户过多的手机空间，且无需进行安装，所以更加经济划算。基于此，对于晾衣架的通讯，我们将采用小程序的设计方式，图3 是小程序所需完成的后台功能图。

对于小程序开发部分，我们主要采用ESP8366 模块，该模块可以实现将用户的物理设备（例如手机、iPad 等）连接到所处Wi-Fi无线网络上，然后进行晾衣架与互联网或局域网通信，从而能够满足用户通过小程序来远程控制单片机的需求。我们采用最常用的TCP 连接，实现单片机和物联网APP 的两者互联。其中TCP 是一种传输层协议，在该协议中，需要通信的双方都要遵循TCP 协议，并且其中任何一方只需得到另外一方的ip 地址和端口号就能和对方建立起以全双工通信方式的连接。在ESP8266 模块中也具备TCP/IP 协议栈，用户通过利用该模块作为客户端并使用AT 指令向服务端发起TCP 连接，然后开启透传模式，在该模式中，模块串口收到的数据然后通过TCP 连接并透传到服务端，从而完成数据从硬件串口通过网络到程序进程的传输，实现了软硬结合。2TCP协议如图4 所示。

4 结语

随着经济基础的稳步提升，电子产品逐渐替代传统非电子产品已经成为当代科学发展的主流趋势。随着人们生活水平的提高，人们智能化的追求也逐步提高。基于此，这篇文章我们介绍了一种物联网环境下的新型晾衣架。区别于其他晾衣架而言，该晾衣架不再是仅仅只对衣物进行消毒烘干处理，而且还能够根据天气情况或者用户需求自动伸收晾衣架，从而大大节约了人们的时间，更特别的是，本设计的晾衣架还结合了双轨太阳跟踪装置，实现对太阳的实时跟踪，从而使衣物得到充分的晾晒，使太阳光能够得到充分的利用。