自适应智能鞋柜的研发

李灿霞 尹晓丽 宗可峰 刘克旭 李振健

摘  要：随着社会的发展，智能设备逐渐深入我们的生活，鞋柜作为服务我们生活的家具也在飞速发展，现有的智能鞋柜有烘干、杀菌消毒、祛味、清洁等功能，但是智能鞋柜未做到真正的智能化，鞋的烘干时间需要手工设定，烘干时间太长，损伤鞋的寿命;烘干时间不足，烘干效果不理想，针对以上问题，文章结合物联网技术、嵌入式系统以及自适应控制技术设计一种可实现自动识别烘干、自动传输的智能鞋柜。

关键词：自适应智能鞋柜;自动识别;自动传输;湿度临界值

中图分类号：TP212;TP368.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0157-04

Abstract：With the development of society，intelligence has gradually penetrated into our lives. As the furniture serving our lives，shoe cabinets are also developing rapidly. The existing smart shoe cabinets have the functions of drying，sterilization，deodorization，and cleaning，but the smart shoe cabinet is not truly intelligent. The drying time of the shoes needs to be manually set. The drying time is too long and damages the life of the shoes;the drying time is insufficient and the drying effect is not ideal. In view of the above problems，this article combines IoT technology，embedded system and adaptive control technology design a smart shoe cabinet that can realize automatic identification，drying and automatic transmission.

Keywords：adaptive smart shoe cabinet;automatic identification;automatic transmission;humidity critical value

0  引  言

目前，市場上常见的鞋柜都是一体化烘干，人为规定烘干时间，人的干涉和对鞋湿度的主观判断，难以掌握湿度和时间的匹配关系，使烘干质量下降。随着现代电子智能家具的迅速发展，追求更加智能化的家具成为社会主流。智能家居可以提高人们的生活质量，当下智能家居逐渐深入人们的日常生活中，设计更加美观大方、功能更加齐全，在未来更加智能化的家具会像液晶电视机一样席卷全球市场[1]。本文根据现有鞋柜的不足设计了一个集自适应烘干、自动传输，并且可远程控制的智能鞋柜。鞋柜分为自动识别烘干区、自动传输装置、消毒区;设置湿度临界值，烘干区的识别检测系统自动识别鞋的湿度，高于临界值系统将对鞋进行烘干，低于临界值后通过自动传输装置将其送入消毒区;同时烘干区以及储存区都安装有臭氧发生器保证对鞋杀菌消毒祛味的处理。本文基于大学生创新创业训练计划项目，目的为利用现代信息科学技术解决智能鞋柜存在的问题，使现代家具更好地服务于人们的生活。

1  自适应鞋柜的总体系统设计

1.1  自适应智能鞋柜的系统设计

自适应智能鞋柜的功能有自动烘干、自动传送、双重杀菌消毒、温湿度检测、远程控制、状态显示等。系统分为四个部分：烘干系统、传送系统、储存杀菌消毒系统以远程控制系统。烘干系统实现鞋温湿度的检测、烘干时间的匹配以及第一次杀菌消毒;传送系统实现鞋由烘干系统到储存杀菌消毒系统的传送;储存杀菌消毒系统实现鞋的二次杀菌消毒以及鞋的存放;远程控制实现客服用户从手机APP上查阅鞋柜内的信息。自适应智能鞋柜的总体控制如图1所示。

1.2  自适应智能鞋柜的结构设计

鞋柜分为三大区域：烘干区、传送区以及储存杀菌消毒区，还有一个远程控制端。利用隔板（可以上下移动）将烘干区与储存杀菌消毒区分隔开。烘干区内有压力传感器、PTC暖风机、温湿度传感器以及臭氧发生器可以对鞋进行自适应烘干和第一次杀菌消毒祛味。传送区贯穿两个区域由机械推手以及机械隔门配合，使鞋可以高效地从烘干区传送至储存杀菌消毒区。储存杀菌消毒区安装有臭氧化发生器、图像识别以及压力传感器对鞋进行二次杀菌消毒祛味并能将鞋有顺序的存放。

2  系统的硬件设计

自适应智能鞋柜控制硬件部分电路图，如图2所示。

2.1  电机的设计以及选型

按照设计要求推手最大行进速度为1 000 mm/s。已知所选同步带轮直径为35.75 mm，可以得到行进底座行进时最大转速n：

最终选定电机型号为42BYGH34-401A，电机具体参数如表1所示。

2.2  烘干设备的设计和选型

烘干设备最主要的是针对鞋，在不损伤鞋的前提下展开工作，本团队对鞋的耐受情况进行了调查研究，结果如表2所示，需根据该参数选择发热器。

根据鞋的耐温状况本文选用暖风机由PTC发热片和风扇组成，其具有节能、散热均匀、稳定性良好、耐磨性好等特点[2]。

2.3  温湿度传感器的设计及选型

DHT22数字温湿度传感器，使用专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，具有可靠性和稳定性好的特点，此外还有良好的抗干扰能力以及反应迅速、价格便宜、省电等优点，同时可以根据顾客的需要改变封装形式[3]，温湿度传感器的电路图控制图如图3所示。

2.4  杀菌消毒设备的设计与选型

本文中对现有鞋柜所用的杀菌消毒装置进行了分析调查得出以下表格，如表3所示。

经过表3对臭氧发生器和紫外线灯管的研究与对比，最终本团队选择了杀菌效果好、无二次污染的臭氧发生器。

2.5  中央控制器的选型与设计

STM32具有节能省电、对各种气味的灵敏度高、使用寿命长、成本比较低、在简单电路中可以使用的优点。STM32以模拟量为输出信号，通过其中的转换器能将电路转换成为数字量，方便处理器处理。各类端口使STM32能够实现模拟信号的采样与转换，除此之外还能够利用处理器为内部系统提供每一刻的时间、温湿度信息等[6]。

2.6  传送装置的设计

鞋柜体内的直线传输采用的同步带轮、同步带、电机组成的智能传输，本团队设计的鞋柜内运输空间是870 mm，同时选用的同步带轮能够带动机械推手在烘干系统和储存杀菌消毒系统之间运动。

2.7  机械推手的设计

设鞋柜中每双鞋的质量不大于0.5 kg。大小为350×150 mm到420×210 mm不等，高度为60～200 mm。对机械推手进行受力分析，使其推力远大于鞋所受的摩擦力，设置推手的高度为空间高度，厚度为5 mm。

3  系统的软件设计

3.1  软件系统的总流程设计

整个系统由打开柜门放入鞋开始，进行识别、检测、判断、烘干、传送、杀菌消毒等一系列操作，流程如圖4所示。

3.2  烘干系统

在烘干系统中判断鞋的湿度与设定的湿度临界值的大小关系，确定鞋是否具备烘干的条件，本文中经过研究发现大部分鞋的试用湿度为42.5%，该湿度临界值适用于北方家庭，根据用户所在地可以对临界值做出适当的调整。对不同材质的鞋进行区分，天然皮革耐温60 ℃、布料和超纤耐温100 ℃。鞋放入烘干区后不论在什么条件下都要进行1 min的杀菌消毒祛味处理，进行双重杀菌消毒，祛味更加彻底。

3.3  传送系统

在传送系统通过编程控制机械手移动鞋到储存杀菌消毒区的位置，节省空间。烘干系统和储存杀菌消毒系统中间只有一个隔板减少的材料的使用，同时机械推手在工作时推动鞋自动补位。开始时推手会默认鞋自最右向靠近隔门方向排列，当其中一双鞋被拿走且左邻的鞋后面没有鞋时，机械推手会工作把该双鞋推到左侧刚被拿走的鞋的位置。

3.4  储存杀菌消毒系统

储存杀菌消毒系统内安装臭氧发生器，对鞋进行二次杀菌消毒祛味处理。当鞋柜门被打开时，臭氧发生器会急停，避免对人体造成伤害。该区域内还安装有图像识别装置，客户在手机端就能看到鞋柜内鞋的摆放位置。

3.5  远程控制系统

系统在未来还计划添加远程控制系统，该系统通过APP远程监控，用户下载APP并注册账号，就可在APP上调整鞋的适度临界值、烘干温度的数值，实时接受鞋柜内反馈给客户端的信息，如正在烘干鞋的剩余烘干时间、储存区内鞋的位置等信息。鞋柜这一功能的实现采用的是STM32芯片，能够保证ID的唯一性，还能及时地将鞋柜内的信息发送到手机上。

4  样机调试

4.1  自动烘干功能测试

分别在不同天气下将不同湿度的鞋放入鞋柜中，温湿度传感器监测温湿度，鞋内水分越多烘干时间越长，在不同天气时外界湿度会对鞋柜内鞋的湿度监测有影响，但影响范围在可控范围内，可以达到预期的烘干效果。烘干测试如图5所示。

4.2  自动传输装置功能测试

当鞋烘干完成或者不需要烘干的鞋第一次杀菌消毒之后，机械推手到达隔门时刚好隔门上升完毕，能够使鞋穿过烘干区到达储存杀菌消毒区。在储存杀菌消毒区内压力传感器会提供给中央控制器空位信息，对鞋进行有顺序的放置。该装置可以将鞋有序存放，完成了预期目标。

4.3  储存杀菌消毒区功能测试

当推手回到初始位置时隔门完全关闭，臭氧发生器对鞋进行二次杀菌消毒祛味处理。利用图像识别装置能够及时地在手机上刷新鞋柜内鞋的放置状态。

5  结  论

本文研发的是自适应智能鞋柜系统，系统具有自动烘干、自动传输、双重杀菌消毒祛味以及远程控制等功能，还能够保护鞋质量不受损，延长鞋的使用寿命;通过增加APP端接口，未来可以实现自适应智能鞋柜与其他智能家居系统的连接。测试结果表明，自适应智能鞋柜不仅能延长鞋的寿命，对鞋的杀菌消毒祛味处理效果也非常的好;机械推手与控制器配合对鞋进行有顺序的放置，操作简单;整套流程采用家用电，功耗低，运作安全平稳。

参考文献：

[1] 闵丽红.成品鞋柜的发展历程与存在问题 [J].林产工业，2011，38（5）：8-9+17.

[2] 高宗英，丁皓阳，夏昺宸，等.家装用小型PE管热熔连接机的研制 [J].黄冈师范学院学报，2018，38（3）：61-63.

[3] 林珠妹.基于DHT22的数字式温湿度计的设计 [J].佳木斯大学学报（自然科学版），2016，34（2）：223-225.

[4] 王虹.城市污水处理厂消毒工艺的研究 [D].天津：天津大学，2005.

[5] 张璐.关于紫外线筷子消毒机消毒效果的评价 [J].山西医药杂志（下半月刊），2009，38（9）：820-821.

[6] 王佳权，王皓，陈少勇，等.基于物联网的智能鞋柜系统设计 [J].电子技术应用，2017（3）：84-87+91.

[7] 庄工.同步带传动的设计计算和使用 [J].机械制造，1989（12）：9-12.

作者简介：李灿霞（1998.12—），女，汉族，山东泰安人，本科在读，研究方向：智能制造工程。