智能环境感知晾衣架的设计与实现

引 言

在传统技术中，居家晾衣通常将晾衣杆固定在阳台上来晾晒衣物。随着智能家居的逐步发展，智能晾衣也逐渐走入人们的生活，例如采用控制拉线来控制晾衣杆的升降，但现有晾衣方式存在以下缺陷：

(1) 晾衣装置占地面积大，不适用于现有小户型的住户。

(2) 城市建筑密集，建筑距离小，阳台风速小，太阳照射时间短，导致衣物晾晒效果差，特别是楼层较低的住户，衣物晾晒几天都不能干，即使晾干后，也伴有酸臭味。

(3) 太阳照射时间短，衣物灭菌效果差。

(4) 晾衣杆长度固定不变，晾晒衣物有限。

(5) 晾晒环境仅限室内，无法通风晾晒，延长了晾晒周期。综上所述，现有的晾衣装置还不能满足人们的需求。

因此，本文提出了一种可伸缩、旋转的智能环境感知晾衣架，不仅能实现全过程自动化晾衣，更能智能的根据环境变化自动判断，防止衣物受恶劣天气影响。

1 系统总体设计

该智能晾衣架集成了多种户外环境监测传感器及数据传输模块，不仅能在工作状态下实现对衣物的全自动化晾晒，还能对户外的环境数据进行监测并通过无线网络与室内智能家居系统共享数据，实时调控。系统的总体设计框图如图 1 所示。

与单片机相连的雨滴传感器、温湿度传感器、光照强度传感器、PM2.5 粉尘传感器、氧浓度传感器、风速传感器作为数据采集终端，外置实现对环境数据的全方位实时监测，并通过串口通讯将数据传输给 STM32 单片机，单片机对数据进行处理分析并判断环境是否符合晾晒要求，相应的控制步进电机实现自动晾晒衣物。另一方面STM32 单片机通过ZigBee 接入室内无线局域网与室内智能家居系统实现室内外数据共享，同时也将各传感器采集的数据上传至云服务器，实现对室外环境数据的统计分析。

2 硬件系统设计

2.1 晾衣架的机械结构

为解决目前小区住宅空间狭小的问题，该晾衣架采用升降和伸缩结构，随机扩大或缩小晾晒空间，且升降架和所述伸缩架均为菱形伸缩架，菱形伸缩架还可以方便挂晾衣架。为了提高整个晾衣机的晾衣量，在所述伸缩架上设置有衣架挂孔。在固定安装箱底部设置有照明装置和紫外线照射装置， 阴雨天气时，可将衣架在室内展开通过紫外线照射装置对衣物进行杀毒灭菌，通过照明装置可方便人们使用。

该晾衣机所占用空间可调节，可实现伸缩、升降、旋转等功能，可根据天气调节晾衣机的位置，并调节伸缩架，实现伸展、收缩，具有结构简单、调节方便、承重量大等优点。机械结构截面图如图 2 所示。

图 2 智能晾衣架机械结构截面图

2.2 晾衣架机械结构的控制方法

系统控制晾衣架机械结构的操作通过驱动步进电机来完成。在晾衣架的安装箱内设置有两个步进电机，以控制菱形伸缩结构上下伸缩，菱形伸缩结构的另一端穿出固定安装箱底部与升降平台连接，在升降平台中心设置一个步进电机，输出轴竖直向下，该旋转电机的输出轴上连接有旋转抵接箱， 在旋转抵接箱内设置有至少一个步进电机控制小型菱形伸缩结构，电机的输出轴与伸缩架的固定端连接，实现水平伸缩， 小型菱形伸缩结构用于晾晒衣物。

3 软件系统设计

本设计的硬件主要由晾衣架的机械结构，主控模块，数据采集模块，数据传输模块组成。

3.1 主程序工作流程

本系统主程序由C 语言编写，在前端传感器数据采集的控制逻辑上根据现实环境模拟实现对环境的智能感知。其程序流程图如图 3 所示，在系统工作时，根据正常晾晒状态初始化传感器，并根据实测环境数据设定各传感器阈值以及步进电机的旋转角度。在各传感器检测环境状态适合晾晒衣物时， 步进电机旋转指定角度伸展衣架。

3.2 主控模块 

单片机采用 STM32 系列低成本嵌入式开发板，该处理器 在 16 位单片机基础上做了进一步提升，具有功耗低、成本低 等特点。在运算能力方面，该开发板的增强型系列时钟频率 可达 72 MHz，能够完全满足全系统的高效运算。在外设方面 也有较为出色的控制和联接能力。系统选用 STM32F103RBT6 作为 MCU，该芯片具有 20 K SRAM、128 K Flash、3 个普通 的 16 位定时器、一个 16 位高级定时器、2 个 SPI、2 个 I2C、 3 个串口、一个 USB、一个 CAN、2 个 12 位的 ADC、51 个 通用 IO 口。配置丰富、功能完善且价格低廉，故选其作为系 统主控芯片。

3.3 传感器模块

系统选用的STM32 主控芯片内部集成了A/D 转换芯片， 可以直接转换来自传感器发送的模拟信号，因此采用的传感器可直接与单片机的A/D 输入口相连，减少了中间的转换电路， 增强了可靠性。

3.3.1 温湿度传感器

系统的温湿度数据采集模块采用主流的DHT11 数字温湿度传感器。该数字温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，具备超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。可一次性传输 40 b 数据，其中包括 16 b 湿度数据、16 b 温度数据、8 b 数据校验和，其湿度测量范围为20% ～95%，湿度测量误差为 5%，温度测量范围为 0 ～50℃，温度测量误差为 5℃。具有仪表级测量性能。

3.3.2 雨滴传感器

目前市场上广泛使用的雨滴传感器结构简单，造价低廉， 主要由 S型纹路刻蚀覆铜板构成。工作时，当雨滴落到覆铜板正面时，S 型纹路的刻蚀纹路会构成一个回路，电路导通， 等同于一个简单的开关。当太阳光将覆铜板上的雨水蒸发吸收完后，电路断开，此时说明阳光充足适合晾晒衣物。雨滴传感器电路原理图如图 4 所示。

3.3.3 光照强度传感器

光照强度传感器用于检测太阳光强度，广泛用于LCD 显示屏的环境光感应，以达到自动调整屏幕背光亮度的目的。本系统采用市场上广泛使用的GY-30 数字光模块，该光模块不仅性能突出、价格低廉且光谱范围与人眼相近，因此能够准确判断室外光线是否充足，以实现高效率的衣物晾晒。

3.4 无线传输模块

根据系统功能要求，主控芯片接收各传感器发送的数据， 在自身处理之后还需将数据发送到室内智能家居系统和云服务器，实现数据的共享和统计分析。目前，在智能家居领域开发应用中，2.4 GHz 的ZigBee 和 900 MHz 频段的Z-Wave 两大应用最为广泛。基于IEEE 802.15.4 协议的ZigBee 协议标准具有低复杂度、低功耗、自组织、低数据速率、近距离等特点， 且节点间通信可靠性高。目前ZigBee 已成为无线传感器网络事实上的协议标准。故系统采用 2.4 GHz 这一频段来实现无线数据的传输。选用ZigBee 无线传输模块一方面能够保证数据准确、高效、可靠的传输，另一方面还可提升与室内智能家居系统之间的兼容性。

在该系统中，各传感器采集的数据传到主控芯片后，一方面会根据数据判断当下环境是否符合晾晒条件，并做出相应的动作。另一方面将采集的数据打包，而此时 ZigBee 传感器节点与单片机通过串口将数据传送至协调器节点。协调器节点是室内智能家居系统的组成部分，与室内智能家居系统实现数据共享。

4 结 语

本文针对当下日常生活晾晒衣物的难题，基于物联网技术设计并实现了智能环境感知晾衣架，采用多个传感器采集、传输、共享室外环境数据，不仅能实现全自动化晾衣，节约空间、时间的高效晾晒，更能在晾晒的同时准确、及时地采集户外光照强度，氧气浓度，PM2.5 值，温湿度，风速等。再与室内智能家居系统组网，实现数据共享，以最简单快捷的方式确保室内环境更益于人的身体健康。目前已制作出能实现基本功能的样品，可全自动化晾晒衣物并及时、精确的发送数据。若在市场上适当推广，当使用量达到一定程度时，所采集的数据存放于云端进行在线分析，可对小区域环境进行评估，对天气进行预测。