智能晾衣架

◆福建省詔安第一中學(xué) 吳靜怡 沈懷斌

傳統(tǒng)手動晾衣架存在諸多弊端，比如，不能有效應(yīng)對各種天氣變化、過于笨重、晾曬的衣物若水分過多持續(xù)滴水對他人造成困擾、功能單一等。為了讓人們晾曬衣物更方便，有更好的晾曬體驗，我們進(jìn)行了對晾衣架的智能化探究。

一、設(shè)計思路

有了設(shè)計智能晾衣架的想法后，我們搜尋了一些市面上常見晾衣架的類型及圖片，對照了各種樣式，最終確定了這樣一套晾曬裝置。

1.用兩個馬達(dá)提供動力，采用傳送帶式滑輪結(jié)構(gòu)，方便移動晾衣架。

2.用繩索晾曬衣物，且將其收納后靠近天花板，晾曬時其可伸到房間外面，讓室內(nèi)保持干爽。

3.在繩索下方安裝可折疊的防水布，當(dāng)繩索將衣物移到室外晾曬時將帶動防水布展開，避免衣物滴水影響他人。

4.安裝菱形收縮結(jié)構(gòu)，衣物晾曬時放下，不用時上升，并安裝紅外感應(yīng)器，在5m左右感應(yīng)到人體后菱形收縮結(jié)構(gòu)自動上升，防止人們不小心撞到。

5.安裝光敏傳感器和雨滴傳感器，在下雨天或夜晚，光敏傳感器和雨滴傳感器接收到外界環(huán)境參數(shù)，將信息傳遞給主控器，主控器驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，自動將衣物收回屋內(nèi)，直到天氣轉(zhuǎn)晴，驅(qū)動馬達(dá)重新晾曬。

6.在裝置上方設(shè)計烘干及紫外線殺菌裝置，讓衣物在陰雨天也能快速晾干。

7.配置太陽能充電板，設(shè)有大容量電池儲電，保證晾衣架用電自給自足。

8.設(shè)計手機(jī)App連接智能晾衣架。

圖1 智能晾衣架設(shè)計思路

二、制作過程

我們利用積木式配件及一些簡易的傳感器搭建一個簡易模型，利用學(xué)校提供的材料包及自購材料，通過組裝及編程控制，完成模型的搭建。

1.步驟一

我們選用銷、轉(zhuǎn)接件、直梁等配件。搭建一個長方體，15孔直梁為長，11孔直梁為寬，9孔直梁為高，作為房屋模型。在一個大長方形的兩條高上，用銷連接馬達(dá)，并在兩個馬達(dá)上安裝旋轉(zhuǎn)輪作為主動輪。室內(nèi)模型部分就完成了。

搭建室外部分時，最初在一個單獨(dú)的直梁拼搭而成的長方形上方用轉(zhuǎn)接件連接從動輪，發(fā)現(xiàn)重心不穩(wěn)易倒塌，于是在其底部用轉(zhuǎn)接件和銷連接3孔直梁用作支撐。接著我們把單面的長方形與“房屋模型”連接成一個大長方體，一部分模擬室外晾曬，另一部分為室內(nèi)遮陰。最后用兩根橡皮筋分別連接主動輪和從動輪，模擬晾曬的衣桿。至此，模型拼接完成。

2.步驟二

要實現(xiàn)智能晾衣架的設(shè)想功能，編程尤為重要。剛開始，我們借助Scratch軟件以及學(xué)校購買配置的資源包進(jìn)行初步操作。資源包里沒有雨水傳感器，只能先單獨(dú)使用光敏傳感器，用光線的強(qiáng)弱模擬晴雨天。

3.步驟三

在裝置中加入紅外傳感器，用紅外遙控器可控制“晾衣架”工作，以遙控手動模式代替手機(jī)App物聯(lián)網(wǎng)模式。

4.步驟四

完成光敏傳感器所控的自動模式和紅外傳感器的手動模式，兩個程序均可單獨(dú)運(yùn)行，接下來要把兩種程序綜合在一起，且避免兩個程序之間互相影響。

5.步驟五

因為主控板接口不足，我們便嘗試將已調(diào)試好的光敏傳感器轉(zhuǎn)化成雨水傳感器，之后編程，調(diào)試成功后連接總程序，替換原先的光敏編程。這樣，作品的大致框架便完成了。

6.步驟六

把主控器安裝在房屋模型的“屋頂”上，固定紅外傳感器和雨水傳感器，用魔術(shù)貼固定電池，讓所有模塊都能正常運(yùn)行。隨后，我們還安裝了一個顯示屏，其能及時顯示人們對紅外遙控器或雨水傳感器的操作，通過“（Dry）Hang Clothes（晾衣服）”和“（Wet）Collect Clothes（收衣服）”等文字來提醒用戶。

這樣，一個既可以用紅外控制又可以感應(yīng)雨水的智能晾衣架就完成了。

圖2 智能晾衣架模型外觀

圖3 智能晾衣架實物構(gòu)思圖

三、系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由Arduino Mega2560單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊、電機(jī)控制模塊、狀態(tài)顯示模塊等組成。

系統(tǒng)分自動模式和手動模式。手動模式由無線收發(fā)模塊控制，手機(jī)發(fā)出控制信號，電路板接收端接收信號并執(zhí)行。自動模式依靠分析傳感器獲取的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制。

使用時，系統(tǒng)先進(jìn)行模式判斷，如果是手動模式，則系統(tǒng)根據(jù)指令反應(yīng)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)時晾衣架伸出，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時晾衣架收回。如果是自動模式，系統(tǒng)會根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)工作狀態(tài)：天氣晴朗，晾衣架伸出；天氣陰雨，晾衣架收回。

四、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)各個模塊組裝完成后，將程序?qū)脒M(jìn)行測試。打開電源，系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，干燥狀態(tài)時馬達(dá)正轉(zhuǎn)，晾衣架伸出。往雨水傳感器上滴水，傳感器檢測到濕度增加，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，晾衣架收回。換成手動模式，遙控器按“正轉(zhuǎn)”即伸出，“反轉(zhuǎn)”即收回。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

加裝防水布，采用馬達(dá)→傳送帶→滑輪式傳送與菱形收縮結(jié)構(gòu)結(jié)合，采用物聯(lián)網(wǎng)信息交流，配備紅外線防撞設(shè)施，能根據(jù)天氣情況進(jìn)行晾曬，并使用太陽能板供電，環(huán)保節(jié)能。

作者心聲

吳靜怡 ：科技擁有無限可能

很感謝有這樣一次實踐機(jī)會。在這個過程中，我學(xué)會了編程語言，學(xué)會了反復(fù)質(zhì)疑推敲，學(xué)會了堅持，也意識到自己還需要更加努力學(xué)習(xí)。在科技創(chuàng)新道路上，我增長了許多知識，領(lǐng)略了許多風(fēng)景，這將成為我人生中一段難忘的記憶。成功的喜悅、挫折的接踵而至、思維凝澀的愁緒等，都讓我倍感珍惜。

沈懷斌：人機(jī)交流的秘密

從生活中發(fā)現(xiàn)問題，與同伴討論問題，再到想辦法解決，我從中獲得了成就感。一直很好奇，機(jī)器如何與人交流？又如何讀懂我們所說的，并去執(zhí)行我們預(yù)想的動作與任務(wù)？

原來，機(jī)器也有自己的語言——編程，這也是人與機(jī)器交流的橋梁。但機(jī)器不懂得隨機(jī)應(yīng)變，因此，在人機(jī)交流時，人不僅需要思考如何表達(dá)，還需思考機(jī)器如何接收人類的想法，如何為機(jī)器構(gòu)建“神經(jīng)系統(tǒng)”，這就需要我們具備更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和清晰的邏輯思維。

專家點(diǎn)評

對于中學(xué)生來說，吳靜怡、沈懷斌同學(xué)的智能晾衣架是一件具有一定改進(jìn)意義的高技術(shù)含量作品。通過這個項目的實施，兩位同學(xué)的科學(xué)探索、技術(shù)應(yīng)用等能力都有一定的提升。但是，怎樣通過真正的創(chuàng)新活動培養(yǎng)自己的原創(chuàng)能力？值得大家思考。

邁克爾·法拉第是英國物理學(xué)家、化學(xué)家，也是自學(xué)成才的著名科學(xué)家，他的原始性創(chuàng)新能力極強(qiáng)，原始性創(chuàng)新就是要解決別人未解決的問題。我們該從法拉第身上學(xué)習(xí)些什么呢？

首先，養(yǎng)成高尚的品格。法拉第具有嚴(yán)于律己、寬以待人、淡泊名利等高尚品格，這讓他能不為潮流所動，始終奮斗在自己最感興趣的領(lǐng)域。

其次，將興趣和事業(yè)結(jié)合，這樣取得成功的機(jī)會更多，成本也更低。

再次，大膽提出問題。要想提出有價值的問題，就必須養(yǎng)成獨(dú)立思考的好習(xí)慣、多問為什么。

最后，善于解決問題。有問題就有了努力的方向，就要千方百計地去解決問題，尤其要不斷思考、嘗試。