基于Arduino 单片机的智能晾衣架的设计

李 钰 张晋轩* 莫记鹏

（广西大学行健文理学院，广西 南宁530005）

1 概述

随着我国经济和科技水平的发展，物联网技术的发展，人们对生活要求随之越来越高，高效便捷的生活方式生活中各类智能家居产品随之应运而生。而各种类型的传感器设备的精度不断提升，随时随地对环境信息进行精确采集已经非常方便。

目前，在我们的生活中，晾晒衣物大都使用传统类型的机械晾衣架。传统的晾衣架只是在机械结构上略有差距，但是没有实现智能化。不具备应对气象环境变化的能力。当天气突变时，人们如果不及时从晾衣架上收回衣物，晾晒效果就会收到影响。智能衣架通过Arduino 单片机系统与其他的多种传感器及时了解周边环境，通过对复杂多变的天气环境感应，并且做出相应的反映，从而解决衣物在不同气候环境下的晾晒问题，操作方便，功能齐全，能满足各类人群在生活中的需求，在未来有着良好而广阔的市场前景。

南宁春天长期天气潮湿阴冷，阴雨潮湿天气可长达15 天，晾晒的衣物如果处理不及时容易发霉，针对此特点，设计出了一款功能齐全，可感知天气变化的智能衣架。智能晒衣架可分为普通模式和智能模式，普通模式与普通晒衣架一样仅实现晒衣干功能。智能模式又分为手动与自动两种控制模式，手动智能能模式可人为控制智能晒衣架的智能晒衣架的伸缩、帘子开合功能。

2 智能晾衣架的设计

2.1 主要架构

晾衣架由感知系统，驱动系统，控制系统和烘干系统四个部分组成

2.1.1 晾衣架的感知系统

感知系统主要由光热。雨滴传感器和湿度传感器组成，负责收集外部信息提供给控制系统。

2.1.2 晾衣架的驱动系统

驱动系统主要是向晾衣架提供动力的装置，本晾衣架采用电力驱动的电动机，响影速度快，驱动力大，并且能灵活控制。

2.1.3 晾衣架的控制系统

控制系统的芯片可以根据传感器收集到的天气信息，判读当前天气变化情况反馈给控制器，实现对晾衣架的控制。

2.1.4 晾衣架的烘干系统

烘干系统可以根据控制系统收集到的信息，开启烘干设备，门帘降下，晾衣架四周环形成密闭空间，增大空气对流，实现对衣物的烘干加热。

智能晾衣架的运行流程方框图如图1 所示：

图1 智能衣架运行流程图

2.2 工作原理

智能晾衣架以单片机作为控制芯片，实现晾衣架的自动控制。当天气为晴天，光照强度高于预先设定值时，热光传感器发生感应，单片机接受到晾衣的信号，发出指令控制晾衣架电机正转，带动晾衣架卷帘门升起、晾衣架伸出，达到晾晒衣物的目的；当天气突变，晾衣架雨滴传感器读取到雨量大于预设值时，单片机接收到收衣的信号，同时发出指令控制晾衣架电机反转，带动晾衣架收回、控制卷帘门关闭，实现在复杂天气下保护衣物的目的。考虑到南方常见的潮湿天气，我们团队根据南宁本地天气环境进行定制，系统加入湿度感应功能，晾衣架湿度传感器感应到湿度长时间高于预先设定值时，单片机也会接收到收衣信号，控制晾衣机收回，门帘关闭，开启晾衣架烘干机。此外，由于室外天气环境复杂，晾衣架有时无法做出最合适的反应，用户可通过手机app 手动控制晾衣架整个系统。按键对应自动控制，手动控制，晾衣架伸出，晾衣架收回，卷帘门开启，卷帘门关闭，烘干机开启，烘干机关闭等功能，当用户按下相应的按键，可以直接控制晾衣架的运行状态。同时晾衣架的手机app 会对当前系统进程进行显示，方便用户在使用过程中清楚的了解到晾衣架当前的运行状态。在停电的情况下，本产品只能实现普通晾衣架各项功能，无法进行智能控制，但是可以手动操作。

3 电路设计

3.1 主电路

根据控制系统的工作过程，以一台Arduino 单片机作为该控制系统的控制器，运用Arduino Mega2560 主控板。

当温湿度传感器和雨滴传感器感应到天气不适合晾晒衣物，传感器发出指令，输出低电平，继电器线圈通电，接通电源带动晾衣架电机反转，晾衣架收回，门帘关闭。直到晾衣架位置继电器响应，发出停止指令，继电器断电，晾衣架停止工作。当光照温度传感器感觉光照强度足够，传感器发出指令，持续输出低电平，继电器启动，1min 后（避开各类杂光对光照传感器的干扰，造成晾衣架误动），继电器线圈通电，接通电源带动电机正转，门帘打开，晾衣架伸出。

3.2 USB TTL 电路

USBTTL 电路通过TTL 电路控制系统各电路开断，从而实现各个传感器控制。

3.3 电源电路

作为晾衣架各电路的电源，实现电源供应，晾衣架交流电到直流电的整流转换，以及元件过电流保护，过电压保护，防止晾衣架内各电子元件损坏。

3.4 按键电路

晾衣架按键电路通过按键控制系统各电路的电源，实现手动控制晾衣架的各项功能。

3.5 位置控制电路

位置控制电路主要是由安装在晾衣架晾衣杆和门帘的两端尽头的两个霍尔传感器组成。用以控制晾衣架上的晾衣杆和门帘的伸出和收回的终止位置。

3.6 智能晒衣架软件部分

智能晒衣架系统软件要满足晾衣架运行的要求。系统程序主要由主程序和多个子程序组成，每个子程序担当一定的功能。晾衣架的主程序流程如图2 所示。

图2 软件主程序流程图

4 传感器设计

4.1 光热温度传感器

当晾衣架检测到室外光照温度到达预定值后，把衣物晾晒出去。在气温低或温度低于预定值时，需要将衣物收回来。因此我们需要对外界温度进行实时检测分析，所以我们采用高性能的温度传感器DS18B20,此芯片具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点。传感器的测试温度范围大（-55℃～125℃）并且分辨率高。DS18B20 传感器内部结构如图3 所示。

4.2 雨滴传感器

当晾衣架检测到室外有下雨的情况时，将衣物迅速收回。为实现这个目标，所以我们采用水位传感器，此芯片尺寸大能检测的样本足，简单易用。在晾衣架中我们采取放置多个雨滴传感器的方法，使得雨滴传感器采集的样本更多，数据更加精准有效。

图3 DS18B20 传感器内部结构图

4.3 湿度传感器

本设计采用DHT11 数字温湿度传感器，该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，硬功了专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，能有效的检测到室外湿度，测量范围20%～90%RH,测量精度±5%RH。内部包括1 个电阻式感湿元件和NTC测温元件，通过逻辑电路来控制电流输出。DHT11 采用单线制串行接口，为4 针单排引脚封装。

5 通信方式

系统中的每个传感器与控制中端之间的连接传输桥梁是nRF24L01 芯片，各个传感器模块在检测完信号后的由nRF24L01芯片来发送给控制中端，其发送的频段为2.4G。控制中端与手机端APP 端控制是通过WiFi 进行互联的。在互联之后，各个传感器所发送的数据传输到控制中端上，控制中端通过数据的处理转化为当前晾衣架的状态会显示于触控屏幕中，此时状态显示信息和手机APP 上的可以实现同步。

6 关键技术

使用Arduino 等小型嵌入式控制芯片作为衣架设备的中央控制器，结合光热、温湿度、雨滴传感器等感知周边环境，将传感器采集到的信息输入嵌入式控制芯片后进行分析，并驱动电机实现自动化晾晒。可伸缩的晾衣架以及门帘，通过设计的控制结构，使得晾衣架达到随环境的变化而自动伸缩功能。（1）能根据天气进行自动控制衣架伸出晾晒和收回。（2）基于南宁市等广大南方地区出现的长期阴雨潮湿天气特别定制的湿度控制烘干功能，自动收回衣物，保护衣物干爽整洁。（3）雨滴传感器和湿度传感器多点布置，提高传感器的灵敏度，确保晾衣架收集的数据稳定可靠。（4）把雨棚门帘遮风避雨功能和晾衣架的自动收缩晾衣功能和烘干机的烘干衣物功能组合起来。

7 结论

智能晾衣架能根据温度和湿度变化根据程序自动收放晾衣架，使得衣物能在不同环境下能收到充分的晾晒和保护。机构简单，设备维护方便。在现场试验中，各项性能稳定可靠。系统通过单片机程序能与传感器稳定工作。在未来的工作中，我们将对晾衣架进一步完善改进，使得晾衣架更简单，便于使用。