現(xiàn)代智能家居的機(jī)械裝置

王曉將 趙凡樂(lè) 曹晉福 張晟碩 張蓉 岑強(qiáng)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展以及物質(zhì)生活的豐富，人們?cè)絹?lái)越重視生活質(zhì)量，對(duì)智能化的生活提出了新的要求。智能家居的出現(xiàn)使人們感覺(jué)到了科技帶來(lái)的便利與舒適，它減輕了人民對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全以及生活環(huán)境越來(lái)越多的擔(dān)憂。近幾年以人工智能技術(shù)為代表的智能家居相關(guān)技術(shù)有了跨越式的發(fā)展，使智能家居服務(wù)開(kāi)始從研發(fā)的實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)化為商品，逐漸走入人們的生活之中。人們的需求刺激著科技的進(jìn)步，同時(shí)也給傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)提供了更多的創(chuàng)新思路和解決方案。

關(guān)鍵詞：智能曬衣架 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 電動(dòng)控制部分

引 言

曬衣服是我們?nèi)粘Ｉ钪忻總€(gè)家庭會(huì)遇到的事情。以前晾衣架最簡(jiǎn)單的一種就是一根竹竿固定或懸掛在屋檐下、窗外等地方;而現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些可伸縮的多節(jié)曬衣架。晾衣服時(shí)，將衣服一件一件地掛上衣架，是將衣服晾在曬衣架，刮風(fēng)下雨時(shí)，如果家里有人，還可及時(shí)收回，但在目前生活節(jié)奏越來(lái)越快的都市生活，白天一般都在工作，無(wú)法應(yīng)對(duì)天氣突變的情況。

如果能設(shè)計(jì)一款能感知天氣變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸出和縮回支架和伸出遮雨罩的智能曬衣架，將徹底解決目前曬衣上遇到的現(xiàn)實(shí)困難，提高家居的智能化水平和生活品質(zhì)，能給大家庭帶來(lái)極大的方便。

一、工作原理

智能曬衣架主要由可折疊式曬衣架、衣架伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天氣感知傳感系統(tǒng)和微控制器組成。天氣感知傳感器包括雨水傳感器和光線傳感器，感知天氣的變化;伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和同步帶組成，實(shí)現(xiàn)衣架的伸縮運(yùn)動(dòng);微控制器根據(jù)傳感器反饋的信息來(lái)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否將衣架折疊收回或伸出，使衣服免遭淋雨。微控制器也具有定時(shí)收回功能，并預(yù)留有通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的物聯(lián)網(wǎng)通信接口，為后續(xù)功能擴(kuò)展做準(zhǔn)備。

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。通過(guò)上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上賣的伸縮晾衣架大部分是用幾組桿鉸接而成的。這種鉸接的機(jī)構(gòu)只能滿足手動(dòng)伸縮的要求，所以本項(xiàng)目想到電動(dòng)機(jī)與同步帶輪配合，把伸縮機(jī)構(gòu)裝置固定在同步帶上面，通過(guò)傳感器的反饋與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化伸縮。

衣架整體：多功能衣架是在普通戶外晾衣架的基礎(chǔ)上，在衣架伸縮桿轉(zhuǎn)動(dòng)部分添加動(dòng)力源、傳感器和控制電路，整體上構(gòu)成一種可實(shí)現(xiàn)整體自動(dòng)化控制的晾衣架，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力推拉，溫度和光感傳感器進(jìn)行對(duì)室外環(huán)境的控制，從而實(shí)現(xiàn)衣架自動(dòng)化控制，方便人們?cè)谟龅接晏旌屯砩蟻?lái)不及收同衣服的煩惱。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：采取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶輪傳動(dòng)形式。通過(guò)傳感器接收到的信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向從而控制衣架的伸縮。電動(dòng)機(jī)與傳感器固定在外側(cè)，方便接收環(huán)境變化的信號(hào)：電動(dòng)機(jī)與皮帶輪相連接，皮帶輪與皮帶緊密嚙合，并將皮帶上的一點(diǎn)與一處衣架轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，從而控制整個(gè)衣架的伸縮。

衣架機(jī)構(gòu)：伸縮晾衣架是用多組桿鉸接而成的，通過(guò)平行動(dòng)力作用在衣架上，使鉸接部分旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)衣架的伸縮。

（二）電動(dòng)控制部分。電動(dòng)控制部分主要由微型單片機(jī)系統(tǒng)、天氣傳感器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電源等部分組成。天氣傳感器由濕度、溫度傳感器和光敏傳感器組成，使控制器及時(shí)反饋天氣變化情況;步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于接收控制器的信號(hào)，通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)衣架的伸縮;采用51單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)送指令，從而控制衣架的伸出和縮回。各組成部分介紹如下。

（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它采用變磁阻原理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將數(shù)字的電脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)。每輸入一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一次。因此當(dāng)輸入一串脈沖序列時(shí)，輸出軸就以等量的轉(zhuǎn)角響應(yīng)該輸入序列，輸出的步數(shù)等于輸入脈沖個(gè)數(shù)。轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。本項(xiàng)目采42BYG行星減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

（四）單片機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC89C52系列單片機(jī)、LCD1602、光敏傳感器模塊、濕敏傳感器模塊。STC89052是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS—51內(nèi)核。但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上擁有靈巧的8位cpu和系統(tǒng)可編程的Flash。具有天氣感知功能的智能曬衣架使得STC89C52能為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

本項(xiàng)目設(shè)汁中，鍵盤(pán)采用非編碼鍵盤(pán)系統(tǒng)中的獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。鍵盤(pán)工作方式采用定時(shí)掃描方式。采用定時(shí)器TO定時(shí)，通過(guò)輸出數(shù)據(jù)，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。鍵盤(pán)主要用來(lái)提供人機(jī)接口，采用獨(dú)立式按鍵電路，各按鍵開(kāi)關(guān)均采用了上拉電阻，保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各I/O有確定的高電平。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)都是通過(guò)已經(jīng)定義的按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（五）傳感系統(tǒng)。傳感器主要包括濕度、溫度傳感器和光敏傳感器，其可以靈敏地感知天氣的變化，其中濕度、溫度傳感器感知是否下雨，光敏傳感器感知是否天黑或天氣的劇烈變化。傳感器將感知的信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給控制器。

①光敏傳感器模塊。光敏電阻對(duì)環(huán)境光強(qiáng)度最敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周同環(huán)境的光強(qiáng)。模塊在環(huán)境光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)。DO口輸出高電平（1）。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，模塊I/O輸出低電平（o）;輸出口DO可以與單片機(jī)任意I/O口相匹配并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高、低電平變化，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境的亮度變化。

②溫度濕度傳感器模塊。DHT11數(shù)字溫度、濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度、濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度、濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連。

二、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

（一）能自動(dòng)感知天氣的變化，自動(dòng)收同衣架。能在下雨或天黑時(shí)自動(dòng)收回曬衣架，使衣服免遭淋雨，徹底解決曬衣服后家里無(wú)人的后顧之憂。具有較高的智能性和很好的市場(chǎng)前景。

（二）改造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。本設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有曬衣架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，因此既能用于新衣架，也能對(duì)家庭已有衣架進(jìn)行改造，不影響衣架的使用功能和美觀。其驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和同步帶的結(jié)構(gòu)，具有價(jià)格低、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。

三、結(jié)語(yǔ)

智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，處于一個(gè)導(dǎo)入期與成長(zhǎng)期的臨界點(diǎn)，市場(chǎng)消費(fèi)觀念還未形成，但隨著智能家居市場(chǎng)推廣普及的進(jìn)一步落實(shí)，培育起消費(fèi)者的使用習(xí)慣，智能家居市場(chǎng)的消費(fèi)潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景光明。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有天氣感知功能的智能曬衣架，能根據(jù)天氣是否下雨或天黑自動(dòng)收回曬衣架，使衣服免遭淋雨。本作品能徹底解決曬衣服后家中無(wú)人的后顧之憂，具有很好的實(shí)用性和市場(chǎng)前景。

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