基于Arduino 單片機的智能晾衣架的設計

李 鈺 張晉軒* 莫記鵬

（廣西大學行健文理學院，廣西 南寧530005）

1 概述

隨著我國經濟和科技水平的發(fā)展，物聯(lián)網技術的發(fā)展，人們對生活要求隨之越來越高，高效便捷的生活方式生活中各類智能家居產品隨之應運而生。而各種類型的傳感器設備的精度不斷提升，隨時隨地對環(huán)境信息進行精確采集已經非常方便。

目前，在我們的生活中，晾曬衣物大都使用傳統(tǒng)類型的機械晾衣架。傳統(tǒng)的晾衣架只是在機械結構上略有差距，但是沒有實現(xiàn)智能化。不具備應對氣象環(huán)境變化的能力。當天氣突變時，人們如果不及時從晾衣架上收回衣物，晾曬效果就會收到影響。智能衣架通過Arduino 單片機系統(tǒng)與其他的多種傳感器及時了解周邊環(huán)境，通過對復雜多變的天氣環(huán)境感應，并且做出相應的反映，從而解決衣物在不同氣候環(huán)境下的晾曬問題，操作方便，功能齊全，能滿足各類人群在生活中的需求，在未來有著良好而廣闊的市場前景。

南寧春天長期天氣潮濕陰冷，陰雨潮濕天氣可長達15 天，晾曬的衣物如果處理不及時容易發(fā)霉，針對此特點，設計出了一款功能齊全，可感知天氣變化的智能衣架。智能曬衣架可分為普通模式和智能模式，普通模式與普通曬衣架一樣僅實現(xiàn)曬衣干功能。智能模式又分為手動與自動兩種控制模式，手動智能能模式可人為控制智能曬衣架的智能曬衣架的伸縮、簾子開合功能。

2 智能晾衣架的設計

2.1 主要架構

晾衣架由感知系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)四個部分組成

2.1.1 晾衣架的感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)主要由光熱。雨滴傳感器和濕度傳感器組成，負責收集外部信息提供給控制系統(tǒng)。

2.1.2 晾衣架的驅動系統(tǒng)

驅動系統(tǒng)主要是向晾衣架提供動力的裝置，本晾衣架采用電力驅動的電動機，響影速度快，驅動力大，并且能靈活控制。

2.1.3 晾衣架的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的芯片可以根據(jù)傳感器收集到的天氣信息，判讀當前天氣變化情況反饋給控制器，實現(xiàn)對晾衣架的控制。

2.1.4 晾衣架的烘干系統(tǒng)

烘干系統(tǒng)可以根據(jù)控制系統(tǒng)收集到的信息，開啟烘干設備，門簾降下，晾衣架四周環(huán)形成密閉空間，增大空氣對流，實現(xiàn)對衣物的烘干加熱。

智能晾衣架的運行流程方框圖如圖1 所示：

圖1 智能衣架運行流程圖

2.2 工作原理

智能晾衣架以單片機作為控制芯片，實現(xiàn)晾衣架的自動控制。當天氣為晴天，光照強度高于預先設定值時，熱光傳感器發(fā)生感應，單片機接受到晾衣的信號，發(fā)出指令控制晾衣架電機正轉，帶動晾衣架卷簾門升起、晾衣架伸出，達到晾曬衣物的目的；當天氣突變，晾衣架雨滴傳感器讀取到雨量大于預設值時，單片機接收到收衣的信號，同時發(fā)出指令控制晾衣架電機反轉，帶動晾衣架收回、控制卷簾門關閉，實現(xiàn)在復雜天氣下保護衣物的目的。考慮到南方常見的潮濕天氣，我們團隊根據(jù)南寧本地天氣環(huán)境進行定制，系統(tǒng)加入濕度感應功能，晾衣架濕度傳感器感應到濕度長時間高于預先設定值時，單片機也會接收到收衣信號，控制晾衣機收回，門簾關閉，開啟晾衣架烘干機。此外，由于室外天氣環(huán)境復雜，晾衣架有時無法做出最合適的反應，用戶可通過手機app 手動控制晾衣架整個系統(tǒng)。按鍵對應自動控制，手動控制，晾衣架伸出，晾衣架收回，卷簾門開啟，卷簾門關閉，烘干機開啟，烘干機關閉等功能，當用戶按下相應的按鍵，可以直接控制晾衣架的運行狀態(tài)。同時晾衣架的手機app 會對當前系統(tǒng)進程進行顯示，方便用戶在使用過程中清楚的了解到晾衣架當前的運行狀態(tài)。在停電的情況下，本產品只能實現(xiàn)普通晾衣架各項功能，無法進行智能控制，但是可以手動操作。

3 電路設計

3.1 主電路

根據(jù)控制系統(tǒng)的工作過程，以一臺Arduino 單片機作為該控制系統(tǒng)的控制器，運用Arduino Mega2560 主控板。

當溫濕度傳感器和雨滴傳感器感應到天氣不適合晾曬衣物，傳感器發(fā)出指令，輸出低電平，繼電器線圈通電，接通電源帶動晾衣架電機反轉，晾衣架收回，門簾關閉。直到晾衣架位置繼電器響應，發(fā)出停止指令，繼電器斷電，晾衣架停止工作。當光照溫度傳感器感覺光照強度足夠，傳感器發(fā)出指令，持續(xù)輸出低電平，繼電器啟動，1min 后（避開各類雜光對光照傳感器的干擾，造成晾衣架誤動），繼電器線圈通電，接通電源帶動電機正轉，門簾打開，晾衣架伸出。

3.2 USB TTL 電路

USBTTL 電路通過TTL 電路控制系統(tǒng)各電路開斷，從而實現(xiàn)各個傳感器控制。

3.3 電源電路

作為晾衣架各電路的電源，實現(xiàn)電源供應，晾衣架交流電到直流電的整流轉換，以及元件過電流保護，過電壓保護，防止晾衣架內各電子元件損壞。

3.4 按鍵電路

晾衣架按鍵電路通過按鍵控制系統(tǒng)各電路的電源，實現(xiàn)手動控制晾衣架的各項功能。

3.5 位置控制電路

位置控制電路主要是由安裝在晾衣架晾衣桿和門簾的兩端盡頭的兩個霍爾傳感器組成。用以控制晾衣架上的晾衣桿和門簾的伸出和收回的終止位置。

3.6 智能曬衣架軟件部分

智能曬衣架系統(tǒng)軟件要滿足晾衣架運行的要求。系統(tǒng)程序主要由主程序和多個子程序組成，每個子程序擔當一定的功能。晾衣架的主程序流程如圖2 所示。

圖2 軟件主程序流程圖

4 傳感器設計

4.1 光熱溫度傳感器

當晾衣架檢測到室外光照溫度到達預定值后，把衣物晾曬出去。在氣溫低或溫度低于預定值時，需要將衣物收回來。因此我們需要對外界溫度進行實時檢測分析，所以我們采用高性能的溫度傳感器DS18B20,此芯片具有體積小，抗干擾能力強，精度高的特點。傳感器的測試溫度范圍大（-55℃～125℃）并且分辨率高。DS18B20 傳感器內部結構如圖3 所示。

4.2 雨滴傳感器

當晾衣架檢測到室外有下雨的情況時，將衣物迅速收回。為實現(xiàn)這個目標，所以我們采用水位傳感器，此芯片尺寸大能檢測的樣本足，簡單易用。在晾衣架中我們采取放置多個雨滴傳感器的方法，使得雨滴傳感器采集的樣本更多，數(shù)據(jù)更加精準有效。

圖3 DS18B20 傳感器內部結構圖

4.3 濕度傳感器

本設計采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度符合傳感器，硬功了專用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能有效的檢測到室外濕度，測量范圍20%～90%RH,測量精度±5%RH。內部包括1 個電阻式感濕元件和NTC測溫元件，通過邏輯電路來控制電流輸出。DHT11 采用單線制串行接口，為4 針單排引腳封裝。

5 通信方式

系統(tǒng)中的每個傳感器與控制中端之間的連接傳輸橋梁是nRF24L01 芯片，各個傳感器模塊在檢測完信號后的由nRF24L01芯片來發(fā)送給控制中端，其發(fā)送的頻段為2.4G。控制中端與手機端APP 端控制是通過WiFi 進行互聯(lián)的。在互聯(lián)之后，各個傳感器所發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦卸松希刂浦卸送ㄟ^數(shù)據(jù)的處理轉化為當前晾衣架的狀態(tài)會顯示于觸控屏幕中，此時狀態(tài)顯示信息和手機APP 上的可以實現(xiàn)同步。

6 關鍵技術

使用Arduino 等小型嵌入式控制芯片作為衣架設備的中央控制器，結合光熱、溫濕度、雨滴傳感器等感知周邊環(huán)境，將傳感器采集到的信息輸入嵌入式控制芯片后進行分析，并驅動電機實現(xiàn)自動化晾曬。可伸縮的晾衣架以及門簾，通過設計的控制結構，使得晾衣架達到隨環(huán)境的變化而自動伸縮功能。（1）能根據(jù)天氣進行自動控制衣架伸出晾曬和收回。（2）基于南寧市等廣大南方地區(qū)出現(xiàn)的長期陰雨潮濕天氣特別定制的濕度控制烘干功能，自動收回衣物，保護衣物干爽整潔。（3）雨滴傳感器和濕度傳感器多點布置，提高傳感器的靈敏度，確保晾衣架收集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。（4）把雨棚門簾遮風避雨功能和晾衣架的自動收縮晾衣功能和烘干機的烘干衣物功能組合起來。

7 結論

智能晾衣架能根據(jù)溫度和濕度變化根據(jù)程序自動收放晾衣架，使得衣物能在不同環(huán)境下能收到充分的晾曬和保護。機構簡單，設備維護方便。在現(xiàn)場試驗中，各項性能穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)通過單片機程序能與傳感器穩(wěn)定工作。在未來的工作中，我們將對晾衣架進一步完善改進，使得晾衣架更簡單，便于使用。